Les événements de pluies extrêmes et les inondations qui en résultent constituent une préoccupation majeure en France comme dans le monde. Dans le domaine de l'ingénierie, les méthodes d'analyse probabiliste sont pratiquement utilisées pour prédire les risques, dimensionner des ouvrages hydrauliques et préparer l'atténuation. Ces méthodes sont classiquement basées sur l'hypothèse que les observations sont identiquement distribuées. Il y a aujourd'hui de plus en plus d'éléments montrant que des variabilités climatiques à grande échelle (par exemple les oscillations El Niño – La Niña, cf. indice ENSO) ont une influence significative sur les précipitations dans le monde. Par ailleurs, les effets attendus du changement climatique sur le cycle de l'eau remettent en question l'hypothèse de variables aléatoires "identiquement distribuées" dans le temps. Il est ainsi important de comprendre et de prédire l'impact de la variabilité et du changement climatique sur l'intensité et la fréquence des événements hydrologiques, surtout les extrêmes. Cette thèse propose une étape importante vers cet objectif, en développant un cadre spatio-temporel d'analyse probabiliste régionale qui prend en compte les effets de la variabilité climatique sur les événements hydrologiques. Les données sont supposées suivre une distribution, dont les paramètres sont liés à des variables temporelles et/ou spatiales à l'aide de modèles de régression. Les paramètres sont estimés avec une méthode de Monte-Carlo par Chaînes de Markov dans un cadre Bayésien. La dépendance spatiale des données est modélisée par des copules. Les outils de comparaison de modèles sont aussi intégrés. L'élaboration de ce cadre général de modélisation est complétée par des simulations Monte-Carlo pour évaluer sa fiabilité. Deux études de cas sont effectuées pour confirmer la généralité, la flexibilité et l'utilité du cadre de modélisation pour comprendre et prédire l'impact de la variabilité climatique sur les événements hydrologiques. Ces cas d'études sont réalisés à deux échelles spatiales distinctes: • Echelle régionale: les pluies d'été dans le sud-est du Queensland (Australie). Ce cas d'étude analyse l'impact de l'oscillation ENSO sur la pluie totale et la pluie maximale d'été. En utilisant un modèle régional, l'impact asymétrique de l'ENSO est souligné: une phase La Niña induit une augmentation significative sur la pluie totale et maximale, alors qu'une phase El Niño n'a pas d'influence significative. • Echelle mondiale: une nouvelle base de données mondiale des précipitations extrêmes composée de 11588 stations pluviométriques est utilisée pour analyser l'impact des oscillations ENSO sur les précipitations extrêmes mondiales. Cette analyse permet d'apprécier les secteurs où ENSO a un impact sur les précipitations à l'échelle mondiale et de quantifier son impact sur les estimations de quantiles extrêmes. Par ailleurs, l'asymétrie de l'impact ENSO et son caractère saisonnier sont également évalués. / Extreme precipitations and their consequences (floods) are one of the most threatening natural disasters for human beings. In engineering design, Frequency Analysis (FA) techniques are an integral part of risk assessment and mitigation. FA uses statistical models to estimate the probability of extreme hydrological events which provides information for designing hydraulic structures. However, standard FA methods commonly rely on the assumption that the distribution of observations is identically distributed. However, there is now a substantial body of evidence that large-scale modes of climate variability (e.g. El-Niño Southern Oscillation, ENSO; Indian Ocean Dipole, IOD; etc.) exert a significant influence on precipitation in various regions worldwide. Furthermore, climate change is likely to have an influence on hydrology, thus further challenging the “identically distributed” assumption. Therefore, FA techniques need to move beyond this assumption. In order to provide a more accurate risk assessment, it is important to understand and predict the impact of climate variability/change on the severity and frequency of hydrological events (especially extremes). This thesis provides an important step towards this goal, by developing a rigorous general climate-informed spatio-temporal regional frequency analysis (RFA) framework for incorporating the effects of climate variability on hydrological events. This framework brings together several components (in particular spatio-temporal regression models, copula-based modeling of spatial dependence, Bayesian inference, model comparison tools) to derive a general and flexible modeling platform. In this framework, data are assumed to follow a distribution, whose parameters are linked to temporal or/and spatial covariates using regression models. Parameters are estimated with a Monte Carlo Markov Chain method under the Bayesian framework. Spatial dependency of data is considered with copulas. Model comparison tools are integrated. The development of this general modeling framework is complemented with various Monte-Carlo experiments aimed at assessing its reliability, along with real data case studies. Two case studies are performed to confirm the generality, flexibility and usefulness of the framework for understanding and predicting the impact of climate variability on hydrological events. These case studies are carried out at two distinct spatial scales: • Regional scale: Summer rainfall in Southeast Queensland (Australia): this case study analyzes the impact of ENSO on the summer rainfall totals and summer rainfall maxima. A regional model allows highlighting the asymmetric impact of ENSO: while La Niña episodes induce a significant increase in both the summer rainfall totals and maxima, the impact of El Niño episodes is found to be not significant. • Global scale: a new global dataset of extreme precipitation including 11588 rainfall stations worldwide is used to describe the impact of ENSO on extreme precipitations in the world. This is achieved by applying the regional modeling framework to 5x5 degrees cells covering all continental areas. This analysis allows describing the pattern of ENSO impact at the global scale and quantifying its impact on extreme quantiles estimates. Moreover, the asymmetry of ENSO impact and its seasonal pattern are also evaluated.

Le système racinaire, lien essentiel entre la plante et le sol quoi qu'essentiellement invisible, reste encore aujourd'hui peu étudié dans son ensemble. Les plantes étant ancrées au sol via leur système racinaire, leurs facultés d'adaptation et de survie sont donc très dépendantes de leurs capacités à savoir tirer profit de l'espace qui les entoure, notamment par l'intermédiaire de leur système racinaire. Certains arbres font néanmoins partie des plus grands et plus anciens êtres vivants de la planète, preuve s'il en est de leur capacité d'adaptation au milieu dans lequel ils poussent et aux changements environnementaux pouvant survenir dans le temps. Dans le cas des plantations, les contraintes anthropiques imposées se heurtent parfois aux limites de cette formidable capacité d'adaptation. Les travaux développés dans la première partie de cette thèse font l'objet de deux articles publiés et se concentrent sur une revue bibliographique des connaissances sur l'enracinement profond. Le rôle vital du système racinaire pour la plante est ainsi mis en avant ainsi que ses fonctions dans le continuum sol-plante-atmosphère. Son rôle essentiel, souvent sous-estimé dans le stockage du carbone, est également abordé. Les différentes techniques permettant d'accéder aux systèmes racinaires in situ sont passées en revue et nous présentons la technique du puits d'accès que nous avons utilisé pour observer les racines jusqu'à 5 mètres de profondeur. Nous avons également développé nos propres outils de prise de vue par l'intermédiaire de scanner à plat ainsi qu'un outil d'analyse d'images ( IJ_Rizo) aujourd'hui disponible en ligne.Dans la deuxième partie du mémoire, nous nous consacrons à l'étude du système racinaire de l'hévéa adulte (Hevea brasiliensis) dans le nord-est de la Thaïlande. Premier producteur mondial de caoutchouc naturel, la Thaïlande a fortement développé ses plantations d'hévéas allant jusqu'à étendre son exploitation au-delà de sa zone climatique naturelle, dans des zones à fortes contraintes hydriques. Dans ce contexte, nous avons étudié la saisonnalité et la dynamique des racines fines pendant trois ans ainsi que leur contribution au cycle du carbone. Nous avons pu mettre en évidence la continuité de la dynamique racinaire indépendamment des périodes de défoliation mais en lien avec la saisonnalité de la pluviométrie. Nous avons également pu caractériser la faible différenciation de la dynamique racinaire de 0 à 4,5 mètres de profondeur dans un tel contexte. La troisième partie de la thèse concerne l'étude du teck (tectona grandis), espèce endémique d'Asie du Sud-Est, et notamment du Laos dans la région de Luang Prabang. Le développement de sa culture sous forme de plantations mono-spécifiques se poursuit depuis les années 80. En appliquant la technique d'exclusion de pluie pendant 2 ans sur des arbres d'une plantation d'une vingtaine d'années, nous avons observé l'influence du régime de précipitations sur l'enracinement. Un arrêt pratiquement total de croissance des racines en surface et en profondeur a ainsi été mis en évidence. Nous concluons, dans le cas d'espèces à une forte dépendance à la ressource en eau de surface, à un impact direct sur l'état physiologique et une stagnation de la croissance des troncs. Certains individus ont démontré une capacité d'adaptation en modifiant leur cycle de foliation / défoliation accompagné d'une reprise de la croissance des troncs lors de la deuxième année du régime de sécheresse imposé. Nous avons également démontré l'importance de l'enracinement fin pour le stockage du carbone qui, dans ce contexte, représente plus de 45 % du carbone total, soit environ le double des données publiées dans la littérature.Les données obtenues pour les espèces étudiées dans ce mémoire pourront être utilisées pour la modélisation de scenarios simulant le changement climatique et le changement d'usage des terres. / The root system is essential but essentially invisible. Plants are anchored to the soil through their root system; their adaptation and survival abilities are highly dependent on their ability to learn to take advantage of the space that surrounds them. Certain trees are nevertheless some of the largest and oldest living species on the planet- evidence of their ability to adapt to changes in their environment. Within managed anthropogenic constraints, particular species are vulnerable. It is clear that a wide range of parameters are likely to influence the root system and its operation, which offers many entry points to improve our understanding of a root's capacity for expansion, its dynamics, its role within the plant itself and within the soil plant atmosphere continuum. Available data on the extent and dynamics of plant roots includes several thousand references. However, the vast majority of these observations were made within the first meter of the soil profile. Data acquisition for the fine and/or deep roots is currently limited by constraints of time and financial resources. To overcome this lack of information, while trying to assess root dynamics under different environmental conditions, many models have been developed. However, it is still difficult to describe the complexity of root development in the community and to integrate its "plasticity".To understand such a complex environment, we must work toward establishing a definition of objectives and the tools necessary to develop and implement them. The work developed in the first part of this thesis is the subject of two articles and focuses on a literature review about deep roots. The vital role of the root system for the plant is well highlighted, as is its impact as a link within the atmosphere. We discuss the role of deep roots in carbon storage, which is critical and often underestimated. The different techniques for accessing the root systems in situ are also considered, and we present our access technique for observing the roots down to depths of five meters. We have also developed tools for shooting through a flatbed scanner and image analysis ( IJ_Rizo ) now available online.In the second part of the thesis, we focus on the study of root systems of adult rubber trees (Hevea brasiliensis L. RRIM 600) in the northeast of Thailand. Thailand has greatly expanded its acreage to extend its operations beyond its natural climate zone, into areas of high water stress. In this context, we studied the seasonality and dynamics of fine roots for three years and their contribution to the carbon cycle. We were able to highlight the continuity of root dynamics during independent periods of defoliation, yet link these to the seasonality of rainfall. We were also able to characterize the low differentiation of root dynamics at 0 to 4.5 m of depth in this context.The third part of the thesis concerns the study of teak particular to the region of Luang Prabang, Laos. By applying the rain exclusion technique for 2 years on a plantation of twenty-year-old trees, we observed the influence of precipitation patterns. During the period of water stress, an almost total cessation of root growth, at the surface and significant depths, has been highlighted. We conclude that in the case of species with a high dependence on water resources there is a direct impact on the physiological state and stagnated trunk growth. Some individuals have demonstrated an ability to adapt by changing their foliation/defoliation cycle, accompanied by a resumption of trunk growth during the second year of imposed drought. We also demonstrated the importance of rooting as a means of carbon storage, which in this context represents more than 45% of total carbon- roughly double the amount published in other literature .The data obtained for the species studied in this paper can be used for modelling scenarios simulating climate change and changing land use.

L'étude des impacts du changement climatique demande souvent de mettre en place de longues chaînes de modélisation. Du modèle qui servira à estimer les concentrations futures en gaz à effet de serre jusqu'au modèle d'impact. Tout au long de cette chaîne de modélisation, les sources d'incertitudes s'accumulent et compliquent l'exploitation des résultats pour l'élaboration de stratégies d'adaptation. Il est proposé ici d'évaluer les impacts du changement climatique sur le cycle hydrologique en France ainsi que les incertitudes qui y sont associées. La contribution de chacune des sources d'incertitudes n'est pas abordée, principalement celle associée aux scénarios d'émission de gaz à effet de serre, aux modèles climatiques et à la variabilité interne. Nous proposons dans ce travail une approche pour évaluer la transférabilité dans un climat futur de la méthode statistique de régionalisation des simulations climatiques. La vérification de l'hypothèse de transférabilité effectuée est l'une des principales sources d'incertitudes des méthodes statistiques de régionalisation. L'évaluation proposée ici s'appuie sur l'utilisation de modèles régionaux, dans un cadre dit de modèle parfait, et permet de montrer que l'utilisation de certain prédicteurs s'avèrent utile à assurer la transférabilité de la méthode de régionalisation dans un climat futur. Cette approche proposée pour une méthode de désagrégation statistique est également applicable à des méthodes de correction des biais des modèles régionaux. Les récentes réanalyses atmosphériques sur l'ensemble du XXème siècle, régionalisées avec la méthode développée dans ce travail, et associées aux observations de température et précipitations permettent de caractériser le cycle hydrologique en France. Elles permettent notamment de montrer que la variabilité multi-décennale des débits observés pendant le XXème siècle est généralisée à l'ensemble du pays et est liée à la variabilité des conditions atmosphériques. Cette variabilité multi-décennale des débits est généralement plus faible dans les simulations hydrologiques réalisées avec les simulations historiques des modèles climatiques. Les projections climatiques ont été régionalisées avec la méthode développée dans ce travail. La température sur l'ensemble du pays, en moyenne sur les modèles climatiques, augmente jusqu'à 3,5°C en hiver et 6,5°C en été d'ici la fin du siècle. Les précipitations vont diminuer sur l'ensemble du pays en été, de presque moitié sur le sud du pays pour le scénario le plus sévère. En hiver, elles augmentent sur la moitié nord du pays et diminuent légèrement sur la partie sud. Dès les prochaines décennies, la diminution des précipitations est importante en été, l'évolution est moins marquée pour les autres saisons. Enfin, les résultats des projections hydrologiques réalisées avec un modèle hydrologique et un ensemble de modèles climatiques sont présentés pour les prochaines décennies et également pour la fin du XXIème siècle. Sur la Seine, les résultats sont différents en hiver de ceux présentés dans de précédentes études. Ici, les précipitations et les débits augmentent en hiver et diminuent en été sur ce bassin versant. Ailleurs en France, les résultats convergent avec les études précédentes, à savoir une augmentation de l'évapotranspiration, une diminution généralisée des débits et un assèchement des sols. L'incertitude due aux modèles climatiques et à la variabilité interne sur les changements relatifs de débits augmente systématiquement pendant le XXIème siècle, jusqu'à atteindre plus de 20% en hiver pour le scénario le plus sévère. Dans les prochaines décennies, l'incertitude due uniquement à la variabilité interne sur les changements de débits est aussi forte que l'incertitude due aux modèles climatiques et à la variabilité interne. Dès les prochaines décennies, les changements de débits annuels sont plus forts sur la Loire, la Garonne et le Rhône que les changements maximaux observés pendant le XXème siècle. / The assessment of the impact of climate change often requires to set up long chains of modeling, from the model to estimate the future concentration of greenhouse gases to the impact model. Throughout the modeling chain, sources of uncertainty accumulate making the exploitation of results for the development of adaptation strategies difficult. It is proposed here to assess impacts of climate change on the hydrological cycle over France and associated uncertainties. The contribution of each sources of uncertainty is not addressed, mainly that associated with greenhouse gases emission scenario, climate models and internal variability. In the context of impacts of climate change on the hydrological cycle over France, it is possible to ask what is the contribution of each sources of uncertainty to the total uncertainty associated with mean changes. Is it possible to reduce, and if so how, the contribution of one source or another ? We propose in this work an approach to assess the transferability in the future climate of a statistical method to downscale climate simulations. The transferability assumption is one the main sources of uncertainty in statistical downscaling method. The assessment suggested here relies on the use of regional climate models, in a perfect model framework, and shows that some predictors are useful to ensure the transferability of the downscaling method in the future climate. This framework, proposed for a statistical downscaling method, is also applicable to bias correction methods in regional climate models. Recent atmospheric reanalyses of the 20th century are downscaled with the method developed in this work, associated with observations of temperature and precipitation. The hydrological cycle over France is characterized with these reconstructions. We show that the multi-decadal variability of observed streamflows during the 20th century is generalized to the whole country and is partly due to atmospheric variability. This multi-decadal variability of streamflows is generally weaker in hydrological simulations done with historical simulations from climate models. The climate projections have been downscaled with the method developed in this work. The temperature on the country, on average over climate models, could increased by 3,5°C in winter and 6,5°C in summer in the course of this century. Precipitations will decrease all over the country in summer, nearly by half on southern part of France for the most severe scenario. In winter, precipitations will increase in the northern part of the country and will decrease slightly in the southern part. In the next few decades, the decrease in precipitation is important in summer, and changes are less pronounced for other seasons. Results of hydrological projections done with one hydrological model and an ensemble of climate models are presented for the coming decades and for the end of the century. On the Seine river, results slightly differ in winter from those presented in previous studies. Here, precipitations and streamflow increase in winter and decrease in summer on that river basin. Elsewhere in France, results are consistent with previous studies, namely an increase in evapotranspiration, a decrease in streamflow and much drier soil. The uncertainty due to both climate models and internal variability on relative changes in streamflows always increase during the 21st century, to over 20% in winter for the most severe scenario. In the coming decades, the uncertainty due to internal variability only on streamflow changes is as strong as the uncertainty due to both climate models and internal variability. In the coming decades, annual streamflow changes of the Loire, Garonne and Rhône rivers are stronger than the maximum changes observed during the 20th century.

Ces travaux de thèse s'intéressent à la variabilité océanique intrinsèque générée spontanément sous forçage atmosphérique saisonnier dans des simulations océaniques à haute-résolution (1/4 de degré et 1/12 de degré ), en présence de tourbillons de méso-échelle (environ 100 km). L'empreinte de la variabilité intrinsèque sur le niveau de la mer (SLA) et sur la température de surface (SST) est caractérisée dans plusieurs gammes d'échelles spatio-temporelles par des méthodes de filtrage. En particulier, il est montré que la variabilité petite-échelle inter-annuelle à décennale de SLA observée par les satellites altimétriques, a un caractère stochastique et est majoritairement intrinsèque. Aux échelles de temps multi-décennales, la variabilité intrinsèque de SLA dans les régions océaniques turbulentes est d'amplitude comparable à la variabilité interne simulée dans les modèles climatiques couplés (dénués de turbulence océanique), et pourrait constituer une source additionnelle d'incertitudes dans la détection de l'élévation régionale du niveau de la mer d'origine anthropique. Une analyse spectrale montre enfin que l'advection non-linéaire de vorticité relative transfère spontanément de l'énergie cinétique d'ondes frontales hautes-fréquences vers des tourbillons de méso-échelle plus lents, générant in fine de la variabilité intrinsèque basse-fréquence. Les diagnostiques ont été réalisés à l'aide d'outils développés pour traiter de façon optimale les données océaniques haute-résolution. Ces travaux témoignent plus généralement du caractère chaotique de l'océan turbulent, dont l'interaction avec l'atmosphère est encore mal comprise. / This work focuses on the intrinsic oceanic variability spontaneously generated under seasonal atmospheric forcing in high-resolution oceanic simulations (1/4 ? and 1/12 ? ) including mesoscale eddies (~ 100 km). The imprint of intrinsic variability on sea-level (SLA) and sea surface temperature (SST) is characterized in various spatio-temporal ranges using filtering methods. In particular, the small-scale interannual-to-decadal SLA variability observed by satellite altimetry, is stochastic and mostly intrinsic. At multi-decadal timescales, SLA intrinsic variability is comparable to the internal climate variability simulated in climate coupled models (devoid of oceanic turbulence), and may yield additional uncertainties in the detection of human-induced regional sea-level change. A spectral analysis eventually shows that non-linear advection of relative vorticity spontaneously transfers kinetic energy from high-frequency frontal waves to slower mesoscale eddies, ultimately generating low-frequency intrinsic variability. The analyses have been performed using tools developed for optimal processing of high-resolution oceanic dataset. This work generally provides evidence of the chaotic behavior of the turbulent ocean, whose interaction with the atmosphere is still poorly-known.

L'objectif de cette thèse est d'analyser l'influence des petites échelles spatiales de la température de surface de la mer (SST) au niveau d'un front océanique sur la variabilité du climat aux moyennes latitudes. Nous nous intéressons à l'effet du front de SST associé au Gulf Stream sur la couche limite atmosphérique marine et la troposphère libre, et sur la variabilité atmosphérique de grande échelle sur le bassin Atlantique Nord et l'Europe. L'approche utilisée repose sur la réalisation d'expériences numériques avec un modèle d'atmosphère global à haute résolution (environ 50 km aux moyennes latitudes), d'abord en configuration forcée par des SST journalières observées puis en configuration couplée avec un modèle d'océan dynamique. La première partie de cette thèse s'intéresse aux effets du forçage océanique de petite échelle spatiale et aux échelles de temps saisonnières à inter-annuelle sur l'atmosphère localement, et sur la variabilité de grande échelle sur le bassin Atlantique Nord. Deux ensembles (quatre membres) d'expériences forcées sont réalisées, l'une avec des SST globales à haute résolution (0.25°) et la deuxième où les SST sont lissées à 4° dans la région du Gulf Stream, de façon à filtrer la variabilité spatiale de petite échelle dans la zone de front. Localement, le modèle capture la réponse au forçage de petite échelle de la SST sur les variations de vent de petite échelle en hiver, mais la sous-estime d'un facteur 1/3 par rapport aux observations. L'évaluation du modèle par rapport aux réanalyses montrent que la variabilité spatiale de grande échelle (courant jet, régimes de temps) est bien reproduite par le modèle aux moyennes latitudes sur l'Atlantique Nord et l'Europe. La comparaison entre les deux expériences montre que les variations spatiales de petite échelle de la SST dans la région du Gulf Stream influencent en profondeur la colonne atmosphérique jusqu'à la troposphère libre (convergence des vents par ajustement hydrostatique en pression dans la couche limite, augmentation des flux de chaleur turbulents à la surface par la déstabilisation de la couche limite, augmentation des précipitations convectives sur la face chaude et diminution sur la face froide du front). Localement, les tempêtes extra-tropicales montrent un renforcement de la route dépressionnaire sur la partie sud (chaude) du front, et une diminution sur la partie nord (froide). Sur le reste du bassin Euro-Atlantique Nord, la réponse des tempêtes extra-tropicales aux petites échelles de SST dépend de la circulation de grande échelle. En particulier, nous montrons qu'une augmentation des tempêtes fortes sur le bassin Méditerranéen est associée à un renforcement du jet subtropical dans cette région. Nos analyses suggèrent que le déplacement et l'intensification de ce jet provient du changement d'occurrence des déferlements d'ondes de Rossby sur l'Atlantique Nord. La deuxième partie de cette thèse s'intéresse à l'effet des rétroactions atmosphériques sur les petites échelles spatiales de SST, et la sensibilité de l'interaction air-mer de petite échelle au couplage océan-atmosphère. Pour cela, on réalise des expériences de sensibilité à la résolution du front de SST dans la région du Gulf Stream avec le modèle couplé à haute résolution. Dans le modèle, le front est décalé vers le nord du fait d'un décollement tardif de la côte. L'intensité de l'interaction air-mer de petite échelle n'est pas significativement modifiée par rapport à la configuration forcée. Cependant l'effet des rétroactions atmosphérique, notamment via les flux turbulents à la surface, sur l'état moyen du front océanique tend à lisser le gradient de SST. La route dépressionnaire est également impactée et montre une augmentation du nombre de tempêtes et de leur intensité moyenne par rapport aux expériences forcées. La réponse des tempêtes au front de SST montre une augmentation locale du nombre de trajectoires de tempêtes, et une diminution significative sur l'Europe. / This thesis aims at analyzing the influence of small-scale spatial variability of the sea surface temperature (SST) over an oceanic front on the climate variability at mid-latitudes. We focus on the effect of the Gulf Stream SST front on the marine atmospheric boundary layer and the free troposphere, and on the large-scale atmospheric variability over the Euro-North Atlantic basin. We follow an approach based on numerical experiments with a high resolution (approximately 50 km at mid-latitudes) global atmospheric model, first forced with daily observed SST then coupled with a dynamical oceanic model. The first part of this thesis deal with the effects of small-scale oceanic forcing on the atmosphere locally and on the large-scale variability over the North Atlantic, at seasonal to inter-annual timescales. Two ensembles (with 4 members) of forced simulations are performed, the first one with global SST at high resolution (0.25°) and the other one with smoothed SST at 4° in the Gulf Stream region, in order to filter the small-scale spatial variability on the frontal area. Locally, the model captures the response of the SST small-scale forcing on the small-scale spatial variability of wind-speed at surface during winter, but with an underestimation of about 1/3 compared to the observations. The evaluation of the model compared to reanalysis shows that the large-scale spatial variability (jet stream, weather regimes) is well reproduce at mid-latitudes over North Atlantic and Europe. Comparison between the two experiments shows that the influence of small-scale spatial variations of the SST in the Gulf Stream region deeply affect the atmospheric column and reach the free troposphere (wind convergence at surface due to pressure adjustment in the boundary layer, turbulent heat fluxes at surface increase due to boundary layer destabilization, convective precipitations increase on the southern (warmer) part of the front and decrease on the northern (cooler) part). Locally, extra-tropical storms show an increase of the storm track on the warmer part of the front and a weakening on the cooler part. Over the Euro-North Atlantic domain, the storm track response to small-scale SST gradients show a strong dependency to the large-scale flow. In particular, we show that the strengthening of intense storm-tracks over the Mediterranean Sea is associated with a reinforcement of the sub-tropical jet in this region. Our analysis suggest that the displacement and reinforcement of the jet come from changes of Rossby wave breaking occurrences over the North Atlantic. The second part of this thesis deal with the influence of atmospheric feedbacks onto the small-scale SST spatial variability, and with the sensitivity of the small-scale air-sea interaction to the ocean-atmosphere coupling. We perform sensitivity experiments to the SST resolution in the Gulf Stream region with a coupled model at high resolution. Compared to the observations, the model show a northward shift of the front. Small-scale air-sea interaction strength is not significantly changed compared to the forced configuration. However the atmospheric feedbacks effects on the mean state of the front act to smooth the gradient, especially via turbulent heat fluxes at surface. The storm track is also impacted and show an increase in storm tracks density and intensity compared to forced experiments. The influence of the small-scale spatial variability of SST in the Gulf Stream region on the extra-tropical storms show a local increase of tracks, with a decrease over Europe.

Dans un contexte de forte compétitivité économique et de respect de l’environnement, de nombreuses actions sont entreprises chaque année dans le but d’améliorer la performance énergétique des bâtiments. En phase de conception, le recours à la simulation permet d’évaluer les différentes alternatives au regard de la performance énergétique et du confort des occupants et constitue ainsi un outil d’aide à la décision incontournable. Toutefois, il est courant d’observer des écarts entre les performances énergétiques réelles et celles prévues lors de la conception. Cette thèse porte sur l’amélioration du processus de conception de l’isolation dans le but de limiter les déviations des consommations réelles par rapport à celles prévues lors des simulations. Dans un premier temps, nous situons le contexte énergétique actuel puis nous présentons les différentes sources d’incertitudes qui affectent les résultats des simulations. Dans ce travail, nous nous intéressons particulièrement à la variabilité des propriétés thermophysiques des isolants, au caractère variable de la mise en œuvre et à l’impact du changement climatique. Des études expérimentales ont permis de quantifier l’incertitude associée à la performance des matériaux sains d’une part, et celle associée à des isolants défectueux d’autre part. Un couplage entre des techniques de thermographie infrarouge et des modèles éléments finis ont permis de proposer des modèles paramétriques permettant d’évaluer la performance effective d’un isolant défectueux, en fonction du type et de la taille du défaut dans l’isolant. Pour une bonne estimation à long terme de la performance de l’isolation, il est nécessaire d’intégrer les prévisions météorologiques. Ces dernières sont généralement estimées sur la base des données historiques de la région. Toutefois, il est encore difficile de prévoir avec exactitude l’évolution climatique car elle dépend de nombreux facteurs socio-économiques, démographiques et environnementaux. Dans ce travail, nous proposons de considérer les différents scénarios climatiques proposés par les climatologues et de prendre en compte leur variabilité de manière à vérifier la fiabilité de l’isolation. Enfin, nous proposons d’utiliser des approches probabilistes pour intégrer ces différents types d’incertitudes dans le processus de simulation. Pour optimiser le dimensionnement de l’isolation, nous proposons une méthodologie de conception basée sur la fiabilité. Un nouveau modèle de coût est également proposé dans le but d’améliorer l’aide à la décision, en considérant les pertes indirectes, jusqu’à présent négligées dans la conception. / In the context of growing world energy demand and environmental degradation, many actions are undertaken each year to improve the energy performance of buildings. During the design stage, the use of building energy simulations remains a valuable tool as it evaluates the possible options in terms of energy performance and comfort. However, as precision requirements increase, it becomes essential to assess the uncertainties associated with input data in simulation. This thesis focuses on the insulation design process under uncertainty, in order to limit gaps between real and predicted performance for better control of energy consumptions. This work firstly presents the current alarming energy context. We consider the main uncertainties that affect the insulation, mainly the variability of the thermophysical properties, the uncertainty on climate and the uncertainties due to workmanship defects. Experimental studies were carried out to evaluate the uncertainty associated to the intrinsic performance of healthy insulation materials on one hand, and those associated to defects in insulations on the other hand. A coupling between thermography techniques and finite element models was used to provide analytical models that assess the effective thermal performance of a defective insulation, according to the type and size of the defect. As the performance of insulation also depends on climate, it is necessary to integrate future weather data to evaluate the energy consumption. These weather data are generally estimated based on the historical climatic data of the region. However, it is still difficult to predict climate change as it depends on many uncontrollable factors. In this work, we consider the different climate scenarios proposed by climate expert groups, and the uncertainty associated to each scenario to evaluate the reliability of the insulation and to improve the decision making process. Finally, we propose a probabilistic approach to integrate uncertainties in simulation and an optimization methodology based on reliability. A new cost formulation is also proposed to improve the decision-making, through indirect losses related to comfort, pollution and living space losses.

L'évaluation de la capacité à satisfaire la demande en eau est cruciale pour répondre aux attentes des gestionnaires, notamment en Méditerranée, une région vulnérable pour ce qui est des ressources en eau disponibles et où la demande en eau n'a cessé de croître. Le bassin de l'Hérault (2500 km2, France) est un exemple type de ces changements puisque les écoulements ont fortement diminué depuis les années 1960. Dans ce contexte, les dynamiques d'évolution de la ressource et de la demande en eau ont été analysées dans le passé. Puis, une chaîne de modélisation intégrative a été mise en œuvre sur les 50 dernières années en associant un modèle hydrologique, un modèle de gestion de barrage et l'évaluation de la demande domestique et agricole sur le bassin à travers une reconstitution historique de la base de données d'usages. Cette chaîne a permis d'estimer l'évolution de la fréquence d'années où la demande n'a pas été pleinement satisfaite dans les différentes portions du bassin. Entre 1961 et 2010, la fréquence d'insatisfaction a diminué dans les portions amont de par une déprise agricole et une amélioration du système d'irrigation. Dans la portion aval où les pressions d'usage sont les plus importantes, la diminution des écoulements et la croissance de la demande en eau ont entraîné une baisse de la capacité à satisfaire la demande. L'utilisation de la chaîne de modélisation à l'horizon 2050 a montré que les impacts de la variabilité climatique et d'usages seraient équivalents, mais affecteraient des portions de bassin distinctes. De plus, si les projections concernant l'augmentation de la température annuelle moyenne (+1,2°C) se confirment, les scénarios de mitigation des usages n'amélioreraient pas la capacité de satisfaction de la demande en eau. / Assessing water supply capacity is crucial to meet with managers' needs, especially in the Mediterranean, one of the most vulnerable regions considering available water resources and where water demand has been increasing. The Hérault River catchment (2,500 km2, France) is a typical example of these issues as runoff strongly decreased since 1960. In this context, dynamics of water resource and demand evolution were analyzed over the past period. Then an integrated framework was developed over the last 50 years, combining a hydrological and a dam management model, water demand estimation for the domestic and agricultural sectors through a historical water use database reconstitution. This framework assessed the frequency evolution of years when water demand could not be fully supplied at the portion scale. From 1961 to 2010, the unsatisfactory year frequency decreased in upstream portions due to farmland abandonment and renovation of irrigation networks. In the downstream portion where human pressures are the highest, the decrease in runoff and increase in water demand led to a fall of water supply capacity. Runs of the modelling framework at the 2050 horizon showed that the impacts of climate variability and water uses could be equivalent, but should affect different portions. Moreover, if mean annual temperature projections (+1.2°C) are confirmed, water demand mitigation scenarios would not be able to improve water supply capacity.

La variabilité du système climatique influence la productivité et la distribution des espèces marines sur toutes les échelles de temps, de la variabilité saisonnière et inter-annuelle aux cycles glaciaires-interglaciaires. Mais ces liens entre climat et écosystèmes marins sont encore largement méconnus, de telle sorte que les prévisions des changements à venir sont difficiles. De plus, parce que les indicateurs paléoclimatiques issus des archives marines sont souvent liés au fonctionnement de l’écosystème, cette méconnaissance limite la fiabilité de la reconstruction de la variabilité climatique passée.Ce travail de thèse vise à améliorer notre connaissance de ces liens entre climat et écosystèmes marins : nous nous sommes intéressés aux changements de productivité marine au cours du dernier cycle glaciaire-interglaciaire, et nous nous sommes aussi penchés sur la réponse de l’écosystème, incluant l'ensemble des niveaux de la chaine trophique, à la variabilité inter-annuelle à décennale en climat pré-industriel. Ce travail est basé sur l’utilisation d’un modèle climatique (IPSL-CM), d’un modèle de biogéochimie marine (PISCES) et d’un modèle de niveaux trophiques supérieurs (APECOSM).Dans un premier temps, nous montrons que le lien entre l’intensité de la mousson indienne et la productivité primaire marine, en été boréal dans la mer d’Arabie, n’est pas direct. En effet, il apparait indispensable pour comprendre les changements de productivité de considérer, en plus de l'intensité de la mousson, la structure de la mousson. En particulier, la position du Jet de Findlater par rapport à la côte de la péninsule arabique est un paramètre important puisqu'elle conditionne la dynamique d'Ekman dans la région.Dans un second temps, nous avons étudié les variations de la productivité marine au large de l'embouchure du fleuve Congo et leurs liens avec le fleuve et les changements de dynamique atmosphérique africaine. Ce travail a mis en évidence que la relation entre l'intensité de la mousson et l'intensité des alizés, souvent utilisée dans les reconstructions climatiques, n'est pas toujours vérifiée. Selon le climat étudié, l'importance des effets thermiques ou dynamiques sur les changements de précipitations et de vents simulés est différente.Dans un troisième temps, nous avons étudié l'effet de la variabilité inter-annuelle sur les changements de productivité passés et sur le signal climatique potentiellement enregistré par des indicateurs climatiques biologiques.Enfin, la dernière partie de cette thèse se focalise sur la réponse des organismes marins des haut-niveaux trophiques à la variabilité climatique à différentes fréquences. Ce travail a révélé que les organismes marins répondent de façons différentes aux variations environnementales en fonction de leur taille et de leur habitat. / Climate variability influences marine primary productivity and marine species distribution over all timescales, from seasonal to interannual variability and glacial-interglacial cycles. The links between climate and marine ecosystems are still sparsely known so that the predictions of futur changes are difficult. Moreover, because paleoclimate recorders extracted from marine archives are often linked to the functionning of the ecosystem, this lack of knowledge limits our ability to reconstruct past climate variability.This thesis work aims at improving our knowledge of these links between climate and marine ecosystems : we have looked into marine productivity changes during the last glacial-interglacial cycle, but we also examined the "end-to-end" ecosystem response to inter-annual to decadal variability in a pre-industrial climate. This work uses a climate model (IPSL-CM), a bio-geochemical model (PISCES) and a model of high trophic levels (APECOSM).First, we show that the link between Indian summer monsoon intensity and marine primary productivity in the Arabian Sea is indirect. Indeed, it appears necessary to consider the monsoon pattern, such as the Findlater Jet position, which drives the Ekman dynamics in the region, as well as its intensity to understand the productivity changes.Second, we study the marine productivity changes off the Congo river mouth and their links with the river runoff and the African atmospheric dynamics. This work shows that the relationship between monsoon intensity and trade winds intensity, often used to reconstruct past changes, is not always verified. Depending on the climate, thermal or dynamical effects are more or less prominent drivers of the simulated changes in precipitation and winds. Productivity off the Congo river mouth, which is mainly located in the subsurface, seems more affected by the ocean and atmosphere dynamics than by the river supply in nutrients.Third, we study the inter-annual variability effects over past productivity changes and over the climatic signal potentially recorded in the biological climate proxies.Finally, the last part of the thesis focuses on high trophic levels marine organisms response to climate variability at different frequencies. This study shows that marine organisms response to environmental changes varies with the organism' size and habitat.

Au cours du XXème siècle, les mesures marégraphiques ont permis d'estimer la hausse du niveau de la mer global à 1.7 mm.a-1. Depuis deux décennies, les observations faites par les satellites altimétriques indiquent une hausse du niveau de la mer plus rapide, de 3.2 mm. a-1 sur la période 1993-2011. Grâce à leur couverture quasi-globale, les observations spatiales ont aussi révélé une forte variabilité régionale dans la hausse du niveau de la mer qui dépasse de beaucoup la hausse moyenne globale dans de nombreuses régions du globe. Cette composante régionale qui s'ajoute à la hausse globale pour donner le niveau de la mer total local, est essentielle dans l'étude des impacts de la hausse du niveau de la mer sur les régions côtières et les îles basses. Dans cette thèse, nous analysons les observations de la variabilité régionale de la hausse du niveau de la mer, nous proposons une reconstruction de cette variabilité régionale depuis 1950 (i.e. avant l'avènement de l'altimétrie spatiale) et nous étudions ses causes et ses origines. Tout d'abord, nous proposons une reconstruction de la variabilité régionale du niveau de la mer dans le passé (avant la période altimétrique) en combinant des données marégraphiques avec les structures spatiales propres de l'océan déduites des modèles d'océan. Cette méthode permet de reconstruire le niveau de la mer en 2 dimensions depuis 1950, sur la majeure partie du globe, avec une résolution proche de celle de l'altimétrie spatiale. Ensuite, nous appliquons la méthode de reconstruction pour estimer la variabilité régionale de la hausse du niveau de la mer passée dans trois régions sensibles au réchauffement climatique : le Pacifique tropical, la mer Méditerranée et l'océan Arctique. Nous en déduisons pour ces régions la hausse totale ( régionale plus moyenne globale) du niveau de la mer local au cours des dernières décennies. Pour les sites où l'on dispose de mesures du mouvement de la croûte terrestre, nous évaluons la hausse local du niveau de la mer relatif (i.e. hausse du niveau de la mer totale plus mouvement de la croûte local) depuis 1950. Le but est de permettre les études de l'impact local de la hausse du niveau de la mer aux échelles climatiques. Enfin, nous analysons l'origine de la variabilité régionale de la hausse du niveau de la mer pour déterminer si elle est due à l'activité anthropique ou si elle résulte de la variabilité naturelle du système climatique. Nous nous focalisons sur le Pacifque tropical qui est marqué par une très forte variabilité régionale de la hausse du niveau de la mer depuis 1993. Grâce a la reconstruction du niveau de la mer depuis 1950, nous montrons que cette variabilité régionale récente (17 dernières années) n'est pas stationnaire dans le temps mais qu'elle fluctue en lien avec une basse fréquence du mode de variabilité ENSO. Avec les modèles de climat du projet CMIP3, nous montrons de plus que cette variabilité régionale est essentiellement d'origine naturelle (variabilité interne du système climatique) et que l'impact anthropique y est trop faible pour l'instant pour y être détecté.

Au-delà des variables climatiques, d’autres facteurs non climatiques sont à considérer dans l’analyse de la vulnérabilité et de l’adaptation au changement et variabilité climatiques. Cette mutation de paradigme place l’agent humain au centre du processus d’adaptation au changement climatique, notamment en ce qui concerne le rôle des réseaux sociaux dans la transmission des nouvelles idées. Dans le domaine de l’agriculture, le recours aux innovations est prôné comme stratégie d’adaptation. L’élaboration et l’appropriation de ces stratégies d’adaptation peuvent être considérées comme des processus d’innovation qui dépendent autant du contexte social et culturel d’un territoire, de sa dynamique, ainsi que de la stratégie elle-même. Aussi, l’appropriation et la diffusion d’une innovation s’opèrent à partir d’un processus décisionnel à l’échelle de l’exploitation agricole, qui à son tour, demande une compréhension des multiples forces et facteurs externes et internes à l’exploitation et les multiples objectifs de l’exploitant. Ainsi, la compréhension de l’environnement décisionnel de l’exploitant agricole à l’échelle de la ferme est vitale, car elle est un préalable incontournable au succès et à la durabilité de toute politique d’adaptation de l’agriculture. Or, dans un secteur comme l’agriculture, il est reconnu que les réseaux sociaux par exemple, jouent un rôle crucial dans l’adaptation notamment, par le truchement de la diffusion des innovations. Aussi, l’objectif de cette recherche est d’analyser comment les exploitants agricoles s’approprient et conçoivent les stratégies d’adaptation au changement et à la variabilité climatiques dans une perspective de diffusion des innovations. Cette étude a été menée en Montérégie-Ouest, région du sud-ouest du Québec, connue pour être l’une des plus importantes régions agricoles du Québec, en raison des facteurs climatiques et édaphiques favorables. Cinquante-deux entrevues ont été conduites auprès de différents intervenants à l’agriculture aux niveaux local et régional. L’approche grounded theory est utilisée pour analyser, et explorer les contours de l’environnement décisionnel des exploitants agricoles relativement à l’utilisation des innovations comme stratégie d’adaptation. Les résultats montrent que les innovations ne sont pas implicitement conçues pour faire face aux changements et à la variabilité climatiques même si l’évolution du climat influence leur émergence, la décision d’innover étant largement déterminée par des considérations économiques. D’autre part, l‘étude montre aussi une faiblesse du capital sociale au sein des exploitants agricoles liée à l’influence prépondérante exercée par le secteur privé, principal fournisseur de matériels et intrants agricoles. L’influence du secteur privé se traduit par la domination des considérations économiques sur les préoccupations écologiques et la tentation du profit à court terme de la part des exploitants agricoles, ce qui pose la problématique de la soutenabilité des interventions en matière d’adaptation de l’agriculture québécoise. L’étude fait ressortir aussi la complémentarité entre les réseaux sociaux informels et les structures formelles de soutien à l’adaptation, de même que la nécessité d’établir des partenariats. De plus, l’étude place l’adaptation de l’agriculture québécoise dans une perspective d’adaptation privée dont la réussite repose sur une « socialisation » des innovations, laquelle devrait conduire à l’émergence de processus institutionnels formels et informels. La mise en place de ce type de partenariat peut grandement contribuer à améliorer le processus d’adaptation à l’échelle locale. / Other than climatic variables, non-climatic factors should be considered in the analysis of vulnerability and adaptation to climate change and variability. This shift in paradigm places the human agent at the centre of the process of adaptation to climate change, particularly with regard to the role of social networks in the transmission of new ideas. In agriculture, the use of innovations is advocated as a coping strategy. The development and adoption of these coping strategies can be considered innovative processes that depend as much on the social and cultural context of a country, its dynamics, and the strategy itself. Also, the ownership and dissemination of an innovation are taking place from a decision-making across the farm, which in turn requires an understanding of the multiple forces and external and internal factors in operation and the multiple objectives of the operator. Thus, understanding of the farmer’s decision- making environment at the farm level is vital because it is a prerequisite for the success and sustainability of any agricultural adaptation policy. However, in a sector like agriculture, it is recognized that social networks for example, play a crucial role in adaptation in particular, through the diffusion of innovations. Therefore, the objective of this research is to analyze how farmers take ownership and design strategies to adapt to climate change and variability from the perspective of diffusion of innovations. This study was conducted in Montérégie- West, a region located in the southwestern part of Quebec and which is known to be one of its most important agricultural regions, due to favorable climatic and soil factors. Fifty-two interviews were conducted with various stakeholders in agriculture at local as well as regional levels. The grounded theory approach is used to analyze and explore the contours of farmers’s decision-making environment regarding the use of innovation as a coping strategy. The results show that innovations are not implicitly designed to cope with climate change and variability even if climate change affects their emergence. The decision to innovate is largely determined by economic considerations. Moreover, the study also shows a weakness of social capital within farmers groups related to the overriding influence of the private sector, which are the main supplier of materials and agricultural inputs. The influence of the private sector has resulted in the dominance of economic considerations over environmental concerns and the temptation of short-term profit from the farmers, which raises the issue of sustainability of interventions in adaptation of Quebec’s agriculture. The study also highlights the complementarity between informal social networks and formal structures of support for adaptation, as well as the need to build partnerships. In addition, the study places the adaptation of Quebec’s agriculture from the perspective of private adaptation whose success is based on a "socialization" of innovations, which should lead to the emergence of formal and informal institutional processes. The establishment of such partnerships can greatly help improve the adaptation process at the local level.