Les multifractals universels (UM) sont un outil puissant et abondement utilisé d'analyse et de simulation de champs géophysiques, comme la pluie, extrêmement variables sur une large gamme d'échelle. Ils sont basés sur le concept de cascade multiplicative qui repose sur la notion physique d'invariance d'échelle pour explorer le phénomène fondamental qu'est l'intermittence. Dans ce cadre, toute la variabilité du champ est caractérisée à l'aide de simplement trois paramètres qui ont en plus une interprétation physique. Dans cette thèse on utilise ce cadre théorique pour quantifier l'impact de la variabilité à petite échelle de la pluie en hydrologie urbaine. La première étape consiste à analyser la variabilité spatio-temporelle de données radar de précipitation à l'aide d'un modèle multifractal anisotrope simple. Divers évènements pluvieux sont analysés. Un comportement scalant a été observé sur deux gammes d'échelles séparées par une rupture à 16 km qui est discutée. Ces données sont globalement en accord avec un modèle spatio-temporel simple reposant un exposant d'anisotropie entre l'espace et de temps. Les résultats suggèrent une possible universalité des paramètres UM pour les précipitations. Cette thèse aborde également un autre aspect de l'intermittence, particulièrement important pour les longues séries temporelles pluviométriques, que sont les nombreuses mesures nulles de la pluie (c'est-à-dire un pixel où aucune pluie n'est relevée), i.e. les longues périodes sèches. L'ancienne question de la source de cette intermittence, et notamment la nécessité d'un modèle dédié, est revisitée. D'abord les effets d'un seuil sur un champ multifractal sont analysés et ensuite un « toy model » qui introduit des zéros au sein du processus de cascade et conditionnellement aux valeurs du champ est développé. Cela permet d'expliquer la plupart des comportements observés, e.g. les différences entre les statistiques évènementielles et globales. L'impact de la variabilité de la pluie est analysé à travers l'étude de la sensibilité de modèles d'hydrologie/hydraulique urbaine à la donnée de pluie. Deux bassins versants essentiellement urbains (un de 3 400 ha en Seine-Saint-Denis à proximité de Paris, et un de 900 ha à Londres) modélisés avec des modèles opérationnels semi-distribués sont pris comme cas d'études. Par ailleurs le modèle distribué Multi-Hydro (en développement au LEESU) est testé sur une portion de 145 ha du cas d'étude parisien. L'impact de la variabilité à petites échelles non mesurée des précipitations (i.e. se produisant à des échelles plus petites que 1 km en espace et 5 min en temps qui sont disponibles avec les données radar à bande C) est d'abord évalué. Ceci est réalisé par la génération d'un ensemble de pluie réaliste désagrégée en continuant stochastiquement le processus sous-jacent de cascade au-delà de l'échelle d'observation, puis la simulation de l'ensemble correspondant d'hydrographes. Il apparaît que la variabilité à petites échelles de la pluie engendre une variabilité hydrologique qui ne doit pas être négligée. De plus le modèle Multi-Hydro génère une variabilité plus importante et pas seulement au niveau du pic de débit, i.e. même pour les pluies modérées. Ces résultats mettent en lumière la nécessité d'installer des radars en bande X (dont la résolution est hectométrique) en milieu urbain. Dans un deuxième temps les outils multifractals sont employés sur les pluies et les débits simulés qui présentent aussi un comportement scalant. Il apparaît que le réseau d'assainissement transmet simplement la variabilité des précipitations sans l'atténuer, au moins en termes de statistiques multifractals / The Universal Multifractals (UM) are a powerful tool which has been extensively used to analyze and simulate geophysical fields, such as rainfall, that are extremely variable over wide range of scales. It is based on the concept of cascade phenomenology that relies on the physical notion of scale invariance to explore the fundamental phenomenon of intermittency. In this framework the whole variability of a field is characterized with the help of only three parameters that are furthermore physically meaningful. In this PhD thesis we use this theoretical framework to quantify the impacts of small scale rainfall variability in urban hydrology. The first step consists in analysing radar rainfall space-time variability with the help of a simple anisotropic multifractal model. A variety of rainfall events are analyzed. It appears that a scaling behaviour was observed on two distinct ranges of scales separated by a break at roughly 16 km that is discussed. These data sets are in overall agreement with a simple space-time scaling model relying on single anisotropy exponent between space and time. The results hint at a possible universality of the UM parameters for rainfall. This thesis also explores another facet of intermittency, which is particularly important for long time series of precipitation, that of numerous zero rainfall measurements (a pixel or a time step with no recorded rainfall), i. e. long “dry” periods. We revisit the long lasting discussion on the source of this intermittency, e.g. whether it requires a specific modelling. First the effects of a threshold on a universal multifractal field are investigated and second a toy model that introduces some zeros within the cascade process conditioned by the field value is developed. This enables to explain most of the observed behaviour, e.g. the difference between event statistics and overall statistics. The impact of rainfall variability is investigated through the analysis of the sensitivity to the rainfall input of urban hydrologic-hydraulic models. Two predominantly urban catchments (a 3 400 ha one in Seine-Saint-Denis near Paris, and a 900 ha one in London) modelled with the help of operational semi-distributed models are used as case studies. The fully distributed model Multi-Hydro (under development at LEESU) is also tested on a 147 ha portion of the Paris case study. First the impact of unmeasured small scale rainfall variability (i.e. occurring at scales smaller than 1 km in space and 5 min in time which are available with C-band radar data) is evaluated. This is achieved by generating an ensemble of realistic downscaled rainfall fields by continuing the stochastic cascade process below the observation scale and then simulating the corresponding ensemble of hydrographs. It appears that the small scale rainfall variability generates significant hydrological variability that should not be neglected. Furthermore the Multi-Hydro model generates a larger variability not only during the peak flow, but during the whole event, i.e. for moderate rain rates. These findings highlight the need to implement X-band radars (whose resolution is hectometric) in urban areas. In a second part multifractal tools are used on both rainfall and simulated discharges that also exhibit a scaling behaviour. It appears that the rainfall drainage system basically transmits the rainfall variability without damping it, at least in terms of multifractal statistics

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.

Dans le cadre de cette thèse, nous nous intéressons à l'étude des décisions des ménages ruraux Ougandais en termes de gestion des risques climatiques. Dans un premier temps, nous testons l'impact des transferts des fonds des migrants sur le niveau de spécialisation des cultures agricoles ainsi que le niveau de risque du portefeuille des cultures des ménages contraints par l'accès aux marchés du crédit et de l'assurance. Nous complétons cette première analyse avec une étude sur la capacité des transferts des migrants à encourager les ménages à utiliser des inputs plus risqués tels que les engrais. Dans un troisième temps, nous explorons si le morcellement des terres peut réduire les effets négatifs de la variabilité des précipitations sur les rendements des cultures agricoles. Le dernier objectif de cette thèse est d'analyser l'impact de l'inégalité d'accès à l'eau sur l'intensité et l'incidence des manifestations et des émeutes au sein d'un pays. Le point central et commun aux différents chapitres est la variabilité climatique : quelles sont les conséquences pour les ménages agricoles ; comment les ménages peuvent se protéger contre les aléas climatiques et quelles sont les implications pour la disponibilité de l'eau et les conflits. Telles sont les questions que la thèse vise à aborder à travers une approche micro-économétrique. / The dissertation provides evidence on the agricultural decisions of rural Ugandan households in terms of risk management against weather variability. First, I study the impact of remittances sent by migrants on households' degree of crop specialization and crop riskiness, as remittances may, to some extent, relieve credit and risk constraints. I complete the first objective with a second analysis that explores if remittances can motivate households to use riskier inputs - fertilizers. Third, I examine whether land fragmentation can reduce the negative impacts of rainfall variability on farmers' crop yields. In the final chapter, I test whether inequality in access to water for consumption may increase the incidence and the intensity of low-level conflicts. The central and common theme of the different chapters is weather variability: what are the consequences for agricultural households, how can households protect themselves against weather fluctuations and what are the implications for water availability and social conflict. Those are the questions that the dissertation aims at addressing with a micro-level empirical approach.

Les multifractals universels (UM) sont un outil puissant et abondement utilisé d'analyse et de simulation de champs géophysiques, comme la pluie, extrêmement variables sur une large gamme d'échelle. Ils sont basés sur le concept de cascade multiplicative qui repose sur la notion physique d'invariance d'échelle pour explorer le phénomène fondamental qu'est l'intermittence. Dans ce cadre, toute la variabilité du champ est caractérisée à l'aide de simplement trois paramètres qui ont en plus une interprétation physique. Dans cette thèse on utilise ce cadre théorique pour quantifier l'impact de la variabilité à petite échelle de la pluie en hydrologie urbaine. La première étape consiste à analyser la variabilité spatio-temporelle de données radar de précipitation à l'aide d'un modèle multifractal anisotrope simple. Divers évènements pluvieux sont analysés. Un comportement scalant a été observé sur deux gammes d'échelles séparées par une rupture à 16 km qui est discutée. Ces données sont globalement en accord avec un modèle spatio-temporel simple reposant un exposant d'anisotropie entre l'espace et de temps. Les résultats suggèrent une possible universalité des paramètres UM pour les précipitations. Cette thèse aborde également un autre aspect de l'intermittence, particulièrement important pour les longues séries temporelles pluviométriques, que sont les nombreuses mesures nulles de la pluie (c'est-à-dire un pixel où aucune pluie n'est relevée), i.e. les longues périodes sèches. L'ancienne question de la source de cette intermittence, et notamment la nécessité d'un modèle dédié, est revisitée. D'abord les effets d'un seuil sur un champ multifractal sont analysés et ensuite un " toy model " qui introduit des zéros au sein du processus de cascade et conditionnellement aux valeurs du champ est développé. Cela permet d'expliquer la plupart des comportements observés, e.g. les différences entre les statistiques évènementielles et globales. L'impact de la variabilité de la pluie est analysé à travers l'étude de la sensibilité de modèles d'hydrologie/hydraulique urbaine à la donnée de pluie. Deux bassins versants essentiellement urbains (un de 3 400 ha en Seine-Saint-Denis à proximité de Paris, et un de 900 ha à Londres) modélisés avec des modèles opérationnels semi-distribués sont pris comme cas d'études. Par ailleurs le modèle distribué Multi-Hydro (en développement au LEESU) est testé sur une portion de 145 ha du cas d'étude parisien. L'impact de la variabilité à petites échelles non mesurée des précipitations (i.e. se produisant à des échelles plus petites que 1 km en espace et 5 min en temps qui sont disponibles avec les données radar à bande C) est d'abord évalué. Ceci est réalisé par la génération d'un ensemble de pluie réaliste désagrégée en continuant stochastiquement le processus sous-jacent de cascade au-delà de l'échelle d'observation, puis la simulation de l'ensemble correspondant d'hydrographes. Il apparaît que la variabilité à petites échelles de la pluie engendre une variabilité hydrologique qui ne doit pas être négligée. De plus le modèle Multi-Hydro génère une variabilité plus importante et pas seulement au niveau du pic de débit, i.e. même pour les pluies modérées. Ces résultats mettent en lumière la nécessité d'installer des radars en bande X (dont la résolution est hectométrique) en milieu urbain. Dans un deuxième temps les outils multifractals sont employés sur les pluies et les débits simulés qui présentent aussi un comportement scalant. Il apparaît que le réseau d'assainissement transmet simplement la variabilité des précipitations sans l'atténuer, au moins en termes de statistiques multifractals

Quatre événements El Niño extrêmes ont eu lieu durant les cinq dernières décennies (1972/1973, 1982/1983, 1997/1998 et 2015/2016) et étaient caractérises comme forts dans la région Niño 3.4. Ils présentent des différences significatives dans leur évolution qui induisent des anomalies distinctes de précipitations le long du versant Pacifique Péruvien illustrant la non-linéarité de la téléconnexion ENSO sur les précipitations dans cette région. Les pluies extrêmes ont un impact néfaste sur la population et les secteurs productifs en raison des inondations et des glissements de terrain qui s'ensuivent. Néanmoins, à ce jour, les patrons de circulation climatique clé de leurs évolutions et magnitudes différentes sont encore très peu connus. Dans cette thèse, nous montrons que les différentes configurations de précipitations lors de ces événements sont associées au transport de l'humidité provenant de différentes sources d'humidité à grande échelle. Lors des événements 1983-1998 (2016), ils sont respectivement liés à une forte (faible à modérée) humidité provenant du réchauffement du Pacifique (également mais aussi provenant de L'Atlantique via l'Amazonie). La caractéristique de ces transports d'humidité est due à une réponse atmosphérique opposée entre les événements de 1983-1998 (qui sont similaires) et l'événement de 2016 qui présente des patterns de transport d'humidité déphasés. Ces précipitations sont liées à l'humidité provenant de ces sources et la circulation atmosphérique régionale des vents de niveau supérieur (100 à 300 hPa) influe sur la quantité d'humidité qui pénètre dans la région Nord-Centre du versant Pacifique Péruvien. L'interaction de la circulation à grande échelle et régionale et le transport de l'humidité du Pacifique est expliqué par le mode Ep qui est associé à des précipitations dans la région Centre-Nord. La forte dispersion des précipitations dans les régions montagneuses est expliquée par le mode Cp pendant les phénomènes El Niño modérés (extrêmes) et est liée au transport d'humidité de niveau moyen-bas (haut) de l'Amazonie (Pacifique) atteignant les hautes terres. / Four strong El Niño events took place within the last five decades (1972/1973, 1982/1983, 1997/1998 and 2015/2016) recorded as strong in the Niño 3.4 region. They can exhibit significant differences in their evolution associated with a distinct rainfall anomaly evolution along the PPB (Peruvian Pacific Basin), which illustrates the strong nonlinearity of the ENSO teleconnection on the rainfall in this area. These extreme rainfalls have harmful impacts on the population and productive sectors due to floods and landslides which are trigged by them. Yet the key climatic circulation pattern for their different evolution and magnitude are still unknown. Here we show that different rainfall patterns during these events are associated with moisture transport originated from different large-scale moisture sources. For example, in the 1983 -1998 (2016) events appear as related with strong (weak to moderate) moisture coming from the Pacific warming (also coming from Atlantic Ocean through the Amazon basin). Characteristic of these moisture transports is due to an atmospheric response opposite between the 1983-1998 events (that are similar) and 2016 event experiencing out-of-phase moisture transport patterns. Although these rainfalls are linked to the moisture arrival from those sources, the moisture amount entering the PPB can be also influenced by regional atmospheric circulation of upper level winds (100 to 300 hPa) leading to different enhanced moisture transport associated with different rainfall anomalies in the North-Centre PPB. The interplay of large-scale and regional circulation and Pacific moisture transport explains the Ep mode associated with rainfall in the north-Centre PPB. The high dispersion of rainfall in highlands (Cp mode) during the moderate (extremes) El Niño appears as linked to low-middle (high level) moisture transport from the Amazon (Pacific) reaching highlands.