On sait aujourd'hui que les processus stratosphériques jouent un rôle important dans le système climatique et leur étude est donc de grande importance pour la communauté scientifique. Les changements à long terme observés dans la stratosphère comprennent l'augmentation des gaz à effet de serre, de la vapeur d'eau, la diminution de l'ozone et un refroidissement systématique de cette région de l'atmosphère pendant les deux dernières décennies (1980-2000). Cette recherche est dédiée à la quantification des changements à long terme de la structure thermique et dynamique de la stratosphère et à l'attribution des causes des changements observés, et en particulier l'effet de la diminution de l'ozone stratosphérique. Le travail a été mené pour les vingt dernières années, où des mesures globales de la stratosphère existent; les analyses effectuées ont été ensuite couplées avec des simulations GCM pour quantifier le rôle de la diminution de l'ozone sur les changements à long terme observés. Trois bases de données (températures mensuelles) résultant d'analyses de données satellitaires et/ou de radiosondages ont été considérées : la base TOVS/3I fournit une description de la basse stratosphère à haute résolution spatiale pour une période de 8 ans; la base FUB a une résolution spatiale moins bonne mais est disponible pour une période plus longue; enfin, la base SSU/MSU couvre les vingt dernières années et surtout la totalité de la stratosphère, mais avec une résolution verticale plus faible. Un modèle de régression linéaire multiparamétrique, qui permet de séparer l'effet de la variabilité naturelle de la tendance à long terme, a été utilisé. Dans un premier temps, une analyse détaillée de l'impact des différents facteurs de variabilité de la température stratosphérique été réalisée. Les forçages considérés sont: l'Oscillation Quasi-Biennale (QBO), l'ENSO, la variabilité de 11 ans associée au cycle solaire, et le mode de variabilité extratropicale connu sous le nom d'Oscillation Arctique (AO). Nous montrons tout d'abord que l'amplitude de la réponse de la température à ces forçages peut être du même ordre de grandeur que les tendances calculées. Ensuite, les tendances de la température sont décrites en fonction de l'altitude, de la latitude et de la saison; elles montrent un refroidissement général de la stratosphère, avec une amplitude maximale en moyenne globale dans la haute stratosphère de l'hémisphère nord (de l'ordre de 3 K/décennie); le refroidissement se réduit dans la moyenne stratosphère pour atteindre 1 K/décennie en moyenne globale dans la basse stratosphère (mais avec une structure fortement dépendante de la latitude). L'analyse des températures nous permet aussi de mettre en évidence, de façon indirecte, un affaiblissement de la circulation moyenne de la stratosphère. Pour étudier le rôle de la diminution d'ozone stratosphérique sur les champs dynamiques et thermiques, nous avons enfin considéré deux ensembles de simulations GCM de type « transitoire »; en entrée des simulations, le premier ensemble considère les conditions prévalant avant la diminution de l'ozone, alors que le deuxième inclut les tendances d'ozone observées en moyenne zonale et mensuelle (dite « simulation ozone »). Les tendances de température simulées ont été comparées entre elles. Les résultats indiquent que la diminution de l'ozone stratosphérique est responsable du refroidissement observé à hauteur de 60% dans la haute stratosphère et de 30% dans la basse stratosphère. Si le refroidissement de la haute et moyenne stratosphère est bien reproduit par les simulations ozone, dans la basse stratosphère il est sous-estimé, très probablement à cause de l'effet des tendances de vapeur d'eau, qui n'ont pas été prises en compte dans les simulations. Le refroidissement pendant le printemps Arctique dans la basse stratosphère est observé, mais non complètement reproduit. Enfin, les simulations ozone indiquent une modification dans l'activité des ondes qui se propagent dans la basse stratosphère, observée à travers l'étude de la composante verticale du flux d'Eliassen-Palm.

Le rôle joué par la stratosphère sur le climat est aujourd'hui avéré. Le couplage du système troposphère-stratosphère implique que les processus dynamiques de grande amplitude de la moyenne atmosphère perturbent l'équilibre atmosphérique et l'écoulement dans les plus basses couches. Parmi ces phénomènes dynamiques, les échauffements stratosphériques soudains sont les plus emblématiques. Cette étude s'intéresse à l'impact de ces événements sur la variabilité de la moyenne atmosphère et sur l'estimation des tendances de température. Nous cherchons également à mieux caractériser l'évolution spatio-temporelle des échauffements stratosphériques, depuis leurs causes jusqu'à leurs conséquences. Tout d'abord, une méthodologie novatrice d'analyse statistique de séries temporelles est développée et testée sur des mesures lidar de l'Observatoire de Haute-Provence. L'impact des événements dynamiques les plus importants peut ainsi être efficacement isolé de la contribution radiative de fond, ce qui explique les différences observées entre l'été et l'hiver. Ensuite, une simulation du Canadian Middle Atmosphere Model nous permet de valider la méthodologie et d'étendre notre étude à l'ensemble du globe. On montre que les variations spatiales sont elles aussi majoritairement causées par l'activité dynamique. Les conditions de formation d'un échauffement stratosphérique sont également étudiées, à l'aide de tests de sensibilité du modèle RACCORD. On prouve l'importance du rappel vers la météorologie pour produire un échauffement majeur, particulièrement dans le cas d'une rupture du vortex. Enfin, la méthode et nos résultats sont mis à profit dans une analyse de l'hiver 2012-2013.