Le brouillard est un phénomène météorologique dangereux car les fines gouttelettes d'eau en suspension dans l'atmosphère réduisent considérablement la visibilité. Bien que les avancées scientifiques et informatiques permettent d'utiliser des modèles de prévision numérique du temps de plus en plus détaillés, la prévision du brouillard reste encore un challenge dû à la multitude et la complexité des processus mis en jeu lors du cycle de vie du brouillard (dynamique, microphysique, turbulent et radiatif). Dans cette thèse, des simulations sont réalisées sur l'aéroport Paris Charles-de-Gaulle avec le modèle à échelle kilométrique AROME afin d'étudier l'impact de la résolution verticale sur la prévision du brouillard. L'étude détaillée d'un cas de brouillard a permis de mettre en évidence le fort impact de la résolution verticale sur la formation du brouillard. La résolution verticale a un impact sur l'heure de formation, le développement spatial et même sur les processus physiques liés à l'apparition du brouillard. L'impact de la résolution verticale a été évalué statistiquement sur l'hiver 2011-2012 et a permis de confirmer les résultats obtenus lors de l'étude de cas. Il a été mis en évidence qu'une résolution verticale fine permet de simuler davantage de brouillards locaux qu'une résolution verticale lâche. De plus, ces simulations ont souligné que le modèle surestime la hauteur de la base du nuage quelle que soit la résolution verticale. Bien que le nombre de bonnes détections augmente avec une résolution verticale fine, la qualité de la prévision reste inchangée à cause d'un nombre de fausses alarmes plus important ce qui peut être expliqué par l'hétérogénéité spatiale des brouillards simulés. Utiliser une résolution fine sur un grand domaine entraîne un surcoût numérique qui n'est pas envisageable en opérationnel. Dans cette thèse, deux méthodes numériques de représentation de la couche limite de surface permettant d'associer une résolution fine près du sol et un temps de calcul modeste ont été évaluées pour une étude de cas et durant une saison hivernale. La meilleure des méthodes basée sur le schéma Canopy permet de bien représenter le comportement physique du modèle à résolution verticale fine lors de l'apparition de brouillards purement radiatifs. Cependant, la méthode atteint ses limites lorsque l'apparition du brouillard est impactée par des circulations locales car l'advection n'est pas prise en compte par cette méthode. Le diagnostique de brouillard par Canopy permet de corriger le biais sur la fréquence d'occurrence de brouillard mais n'améliore pas significativement la qualité de la prévision. / The fog is a hazardous meteorological phenomenon because of the visibility decrease due to water droplets present in the atmosphere. Despite scientific and numerical improvements allowing the use of very detailed numerical weather prediction models, fog forecasting is still a challenge to address. Indeed, several complex processes are involved during the fog life cycle (dynamic, micro-physic, turbulence and radiation). In this thesis, simulations are performed at the Paris Charles-de-Gaulle airport with the kilo-metric scale model AROME in order to study the impact of the vertical resolution on the fog forecasting. A detailed study case highlights the strong impact of vertical resolution on the fog formation. Vertical resolution impacts both the onset time, the spatial development and also the physical processes involved at the fog onset. The impact of vertical resolution has been evaluated statistically over the winter season 2011-2012 and has confirmed the results obtained with the study case. It has been shown that a finer vertical resolution leads to the simulation of more local fog events than a coarser vertical resolution. Furthermore, these simulations emphasize that the model overestimates the cloud base height whatever the vertical resolution. In spite of the increase of good detections with a finer vertical resolution, the overall forecast quality does not change because of more frequent false alarms. These false alarms can be explained by enhanced spatial heterogeneities of simulated fogs at finer vertical resolution. Using a finer vertical resolution on a large domain increase the numerical cost, which is not affordable for operational forecasting. In this thesis, two numerical methods representing the surface boundary layer and allowing a finer vertical resolution at a low computational cost have been tested for the case study and during the winter season. The best method is based on the surface boundary layer scheme Canopy, which improves the physical behavior of the model during the onset of radiation fogs. However, the limits of the method are reached when the onset is impacted by local circulations, which they are not taken into account with this method. The fog diagnostic by Canopy reduces the frequency bias fog forecast but it does not significantly improve the overall forecast quality because of more frequent false alarms.

L'objectif de la thèse est de développer un albédo de surface journalier pronostique dans les modèles météorologiques et d’évaluer son impact pour le bilan d'énergie et l'hydrologie dans la plate-forme de modélisation SURFEX sur le domaine France. En premier lieu, un albédo climatologique est à ce jour considéré dans SURFEX. Il est analysé dans cette étude par rapport aux albédos quotidiens de SEVIRI et MODIS dont ce dernier est obtenu à partir d'une méthode originale que l'on valide. Ensuite, une méthode est développée pour obtenir des albédos du sol et de la végétation de façon séparée à la fois statiquement, donc sur une base climatologique, puis dynamiquement en s'appuyant sur plusieurs années de données du satellite MODIS. Une fois réglé l'albédo du sol journalier, il est recherché une calibration avec l'humidité du sol nu à l'aide des données du réseau de stations sol SMOSMANIA du sud-ouest de la France. Il est montré que l'on peut prédire l'évolution de l'albédo de surface, par comparaison avec les observations spatiales avec l'humidité seule dans la limite d'une végétation faiblement couvrante. Cet albédo simulé est complété par celui de la végétation seule à partir d'une paramétrisation simplifiée du code de transfert radiatif PROSAIL. L'approche théorique est validée avec les données du site de Majadas pour lequel on montre que l'on sait simuler le cycle d'évolution de l'albédo total avec prise en compte de la chlorophylle au niveau de la feuille. En dernier lieu, il a été réalisé une étude d'impact du nouveau albédo évolutif sur le bilan d'énergie et l'hydrologie dans SURFEX sur la France. Il est aussi mis en place une assimilation de l'albédo conjointement avec l'indice foliaire et l'humidité superficielle, ce qui a des effets positifs pour le cas des végétations qui ne sont pas trop denses. / The main objective of the thesis is to develop a prognostic surface albedo of the visible spectrum and near infrared and assess its impact on the energy balance and hydrology in the modelling platform of SURFEX. First, a statistical approach has generated a global climate albedo product at 0.05 ° for bare soil and vegetation using multiple years 8 -day MODIS onboard TERRA and AQUA satellites heliosynchronous data. Then, an original method has been developed to reduce temporal resolution of MODIS 500m albedo to daily. The result is validated against in situ measurements as well as daily albedo from geostationary satellite MSG / SEVIRI Land SAF project after projection of MODIS. Then a method of separating albedo of bare soil and vegetation is applied to the datasets of the two satellite systems. Using a threshold of vegetation cover, a calibration of the albedo bare soil with measured soil moisture is derived from 2007 to 2010 for 12 SMOSMANIA stations over southwestern France. We derived a parameterization of the albedo of bare soil with moisture to make the climate changing albedo. The albedo and simulated happens to be very well correlated with observations from space, which helps to explain the albedo variations at very short notice. To change seasonally albedo, a simple parameterization of canopy albedo derived from detailed radiative transfer code PROSAIL is used. The variables are the albedo of the sheet, canopy geometry and chlorophyll content. In order to be sensitive to chlorophyll, the study is based on an albedo at 560 nm. The theoretical approach is validated with MODIS satellite data for the site Majadas (Spain). The next step is to conduct an impact study of this new predictive albedo on the energy balance and hydrology within SURFEX over France and highlighting effects on temperature. More preliminary restricted to a SMOSMANIA station, an assimilation scheme is developed for surface albedo together with the leaf area index LAI and surface moisture. This effects an improvement in the prescribed LAI at the beginning of crop growth.

Les schémas de surface ont été développés dans le but de modéliser les échanges de chaleur et d'humidité entre les surfaces continentales et l'atmosphère. Parmi les éléments constitutifs de ces surfaces, la végétation joue un rôle important dans la dynamique des flux à l'interface. Mon travail de thèse a porté sur l'amélioration de la paramétrisation de la végétation dans le modèle de surface ISBA-A-gs (Calvet et al, 1998). Ce modèle est capable de résoudre les bilans énergétique et hydrique à la surface, de calculer la croissance de la biomasse verte de la végétation, et d'estimer sa surface foliaire en tenant compte des conditions météorologiques. Ce modèle intègre également l'effet de l'augmentation de CO2 atmosphérique dans le fonctionnement de la végétation. Mon travail a porté sur l'élaboration et l'application d'une paramétrisation de l'effet du déficit hydrique sur le fonctionnement des couverts de types ligneux. Pour cela, j'ai repris une méthodologie de type méta-analyse des données de la littérature déjà utilisée par Calvet (2000) dans le cadre des couverts de types herbacés. Un travail d'application et de validation a été mené sur 3 jeux de données continues du réseau de mesure EUROFLUX / CarboEurope correspondant à 3 sites forestiers Européens. Ces données comportent les flux du bilan d'énergie classique associés à la mesure du flux de CO2. J'ai pu de ce fait, tester pour la première fois la capacité du modèle à simuler le cycle diurne du flux de CO2 ainsi qu'à estimer le stockage annuel net de carbone sur ce type de couvert (Rivalland et al., 2005). Enfin, j'ai abordé les potentialités d'une nouvelle version du modèle développée par Calvet et Soussana (2001) dont la particularité est de prendre en compte l'effet de l'enrichissement en CO2 de l'atmosphère sur la croissance de la végétation, associé à la disponibilité du milieu en azote du sol. Cette version sépare les différents compartiments de stockage liés à la croissance de la végétation et ouvre des perspectives dans la modélisation complète du cycle du carbone et des effets du changement climatique sur la végétation. En lien avec ce travail, une méta-analyse ainsi qu'une expérimentation de terrain de fertilisation en azote a été menée dans le but de déterminer les paramètres de plasticité propres à cette version, pour différents types de couverts. Une évaluation des simulations du modèle sur une culture de blé a été menée en comparant avec le modèle de culture STICS de l'INRA.

La partie centrale de la chaîne himalayenne présente d’importantes hétérogénéités, en particulier en termes de topographie et de climatologie. La caractérisation des processus hydro-climatiques dans cette région est limitée par le manque de descriptif des milieux. La variabilité locale est alors difficilement représentée par les modélisations mises en œuvre à une échelle régionale.L’approche proposée dans ce travail est de caractériser les systèmes hydro-climatiques à l’échelle locale pour réduire les incertitudes liées à l’hétérogénéité du milieu. L’intégration de données localement précises est testée pour la modélisation de bassins versants peu instrumentés et fortement hétérogènes.Deux sous-bassins du bassin de la Dudh Koshi (Népal) sont utilisés comme échantillons représentatifs des milieux de haute et moyenne montagne, hors contribution glaciaire. Le schéma de surface ISBA est appliqué à la simulation des réponses hydrologiques des types de surface décrits à partir d’observations de terrain. Des mesures de propriétés physiques des sols sont intégrées pour préciser la paramétrisation des surfaces dans le modèle. Les données climatiques nécessaires sont interpolées à partir des observations in situ disponibles. Une approche non déterministe est appliquée pour quantifier les incertitudes liées à l’influence de la topographie sur les précipitations, ainsi que leur propagation aux variables simulées. Enfin, les incertitudes liées à la structure des modèles sont évaluées à l’échelle locale à travers la comparaison des paramétrisations et des résultats de simulation obtenus d'une part avec le schéma de surface ISBA, couplé à un module de routage à réservoir et d'autre part avec le modèle hydrologique J2000. / The central part of the Hindukush-Himalaya region presents tremendous heterogeneity, in particular in terms of topography and climatology. The representation of hydro-climatic processes for Himalayan catchments is limited due to a lack of knowledge regarding their hydrological behavior. Local variability is thus difficult to characterize based on modeling studies done at a regional scale. The proposed approach is to characterize hydro-climatic systems at the local scale to reduce uncertainties associated with environmental heterogeneity.The integration of locally reliable data is tested to model sparsely instrumented, highly heterogeneous catchments. Two sub-catchments of the Dudh Koshi River basin (Nepal) are used as representative samples of high and mid-mountain environments, with no glacier contribution. The ISBA surface scheme is applied to simulate hydrological responses of the surfaces that are described based on in-situ observations. Measurements of physical properties of soils are integrated to precise surface parametrization in the model. Necessary climatic data is interpolated based on available in-situ measurements. A non deterministic approach is applied to quantify uncertainties associated with the effect of topography on precipitation and their propagation through the modeling chain. Finally, uncertainties associated with model structure are estimated at the local scale by comparing simulation methods and results obtained on the one hand with the ISBA model, coupled with a reservoir routing module, and on the other hand, with the J2000 hydrological model.