Pour les pays du sous-continent ouest africain soumis depuis une trentaine d'années à un changement climatique sans précédent au XXème siècle, la modélisation de l'impact de la variabilité prévisible du climat sur les ressources en eau est fondamentale pour la planification des aménagements. L'objectif de ce travail est l'utilisation de simulation de pluies et d'évapotranspiration potentielle issues de scénarii climatiques en entrée de modèles hydrologiques, calés pour les grandes rivières d'Afrique de l'Ouest (Sénégal, Gambie, Sassandra) et Centrale (Logone-Chari), afin d'étudier la variabilité probable des ressources en eau au cours du XXIème siècle. Cette approche se fonde sur : - la connaissance de la variabilité des régimes pluviométriques et hydrologiques. Globalement, la période 1970-1998 est déficitaire et la décennie 90 témoignent de la persistance de la sécheresse. Ces déficits peuvent s'expliquer par une variation de l'espace couvert par la mousson s'inscrivant dans une dynamique à l'échelle de la circulation atmosphérique générale ; - l'évaluation d'outils de modélisation des régimes hydrologiques des grands cours d'eau régionaux. Deux modèles de bilans hydrologiques (GR2M et WBM), fonctionnant au pas de temps mensuel sur des grilles à la résolution du demi degré carré, ont été retenus. L'analyse de sensibilité modèles montre l'importance des précipitations et des états de surface dans la modélisation hydrologique. Cette évaluation souligne également la performance et la robustesse du modèle GR2M ; - le développement et l'application de scénarii climatique à partir des données issues des Modèles de Circulation Générale. Les sorties de modèles climatiques ne sont pas vraiment fiables mais les variations prévues peuvent être combinées aux observations pour générer des scénarii climatiques. L'utilisation des données de précipitations et de température du modèle HadCM3-A2, via deux scénarii climatiques, dans les modèles hydrologiques GR2M et WBM conduisent à la diminution des débits du Sénégal et de la Gambie, une augmentation suivie d'une diminution des débits du Sassandra et une augmentation des débits du Logone-Chari.

La variabilité hydro-climatique du bassin amazonien pendant les 40 dernières années est analysée pour la première fois à partir de données /in situ/ provenant de la totalité du bassin amazonien. L'importance des régions andines dans la variabilité pluriannuelle de l'hydrologie est mise en évidence. Ainsi, une diminution des débits d'étiage et le maintien de forts débits de crues dans le cours principal de l'Amazone, en particulier depuis le début des années 1990, sont liées à une forte diminution des pluies et des débits annuels dans le sud-ouest du bassin et à une augmentation des pluies et des crues dans le nord-ouest.<br>L'explication de la variabilité hydrologique fait appel à des indices océano-atmosphériques mensuels et à des types de temps quotidiens. Ceux-ci sont définis pour l' Amérique du Sud tropicale au moyen des données de réanalyses ERA40 et d'une méthode neuronale. Les caractéristiques et la succession des types de temps sont liées principalement au passage de perturbations extratropicales qui modifient l'orientation des flux méridiens à l'est des Andes et font alterner convergence et divergence dans le sud-ouest et le nord-ouest du bassin.<br>La fréquence des types de temps permet de reconstituer en partie les pluies et d'expliquer aussi bien la variabilité hydrologique aux pas de temps inter et pluri annuels que l'occurrence de crues et d'étiages exceptionnels.

Ce travail consiste à caractériser la variabilité temporelle et spatiale des séries chronologiques de paramètres hydroclimatiques (pluies, débits) au niveau de trois grand bassins au Maroc ; (bassins de la Moulouya, du Sebou et du Tensift) et à chercher les liens entre cette variabilité hydrologique et les fluctuations climatiques matérialisées par différents indices climatiques, NAO, SOI, WMOI. L’approche d’étude est basée le traitement statistique des séries temporelles, liée aux dimensions temps et espace.Les grands bassins versants d'échelle continentale comme le Tensift, le Sebou et la Moulouya en climat méditerranéen sous influence océanique, intègrent sur des grandes surfaces la réponse hydrologique aux changements climatiques et environnementaux (fluctuations du climat, précipitations, débits) à de larges échelles spatiales et temporelles, mais également les modifications du milieu physique d’origine anthropique (changements d’occupation des sols, aménagements…), ce qui rend parfois difficile l’identification des liens entre la variabilité hydrologique et la variabilité climatique. Les principaux objectifs de ce travail sont de déterminer et de quantifier les relations entre la variabilité hydroclimatique et les fluctuations du climat à l’échelle de chaque bassin étudié et de ses principaux sous-bassins, via l'utilisation de méthodes d’analyses spectrales adaptées à l’étude des processus non stationnaires (analyse en ondelettes continues, analyse de la cohérence par ondelettes). Plusieurs modes de variabilités sont identifiés à partir de l’analyse par station (pluies et débits), du cycle annuel au mode 16-22 ans, cette analyse sera complétée par une analyse par maille, dont les données sont issues d’un fichier (SIEREM) couvrant la période 1940-1999, où on identifie des fréquences de 1an au 8-16 ans, distinguées sur des périodes différentes au niveau de chaque bassin, permettant ainsi une décomposition de la variabilité spatiale des signaux mis en évidence. Trois principales discontinuités sont identifiées en 1970, 1980 et 2000. La contribution des indices climatiques est assez importante elle est entre 55% et 80%. / This work is to characterize the temporal and spatial variability of hydroclimatic time series (rainfall, flow) at three large basins in Morocco; (basins of the Sebou and Moulouya Tensift) and look links between the hydrologic variability and climate fluctuation materialized by various climate indices, NAO, SOI, WMOI. The approach to study is based on statistical analysis of time series, related to time and space dimensions.The great watershed of continental scale as Tensift, Sebou and Moulouya in Mediterranean climate under oceanic influence, integrate over large areas the hydrological response to climate and environmental changes (climate fluctuations, precipitation, flows) not only to large spatial and temporal scales, but also to changes in the physical environment anthropogenic (land use changes, developments ...), which sometimes makes difficult to identify the links between hydrological variability and climate variability. The main objective of this work is to determine and quantify the relationships between hydrological variability and climate fluctuations (regionalised precipitation, climate change indexes) across each studied basin and its main sub-basins, via using spectral analysis methods adapted to the study of non-stationary processes (continuous wavelet analysis, coherence analysis wavelet). Many modes of variability are identified from the station analysis (rainfall and flow rates), the annual cycle to 16-22 years, this analysis will be complemented by a grid analysis, the data come from a (SIEREM) file covering the period from 1940 to 1999, which will allow a better understanding of the spatial variability of signals set highlighted. Which is identified frequencies the 1 year 8-16 years, distinguished different time periods at each basin, three main discontinuities identified in 1970, 1980 and 2000. The contribution of climatic indices is important enough it is between 55% and 80%.

Dans un contexte de variabilité climatique et de multiplication des usages de l'eau, la compréhension et la prévision de la variabilité des débits des cours d'eau est aujourd'hui un enjeu majeur pour améliorer la gestion des ressources en eau à l'échelle des bassins versants. En France, le bassin versant de la Durance (Alpes du Sud), lieu de multiples usages de l'eau (hydroélectricité, agriculture, alimentation en eau potable, loisirs), fait l'objet d'une attention particulière en ce qui concerne les impacts du changement climatique qui pourraient être importants du fait de sa situation géographique et de son régime partiellement nival, et remettre en question les équilibres en place permettant le partage de la ressource. Dans l'optique d'une meilleure anticipation de la variabilité hydrologique d'un bassin versant, bien connaître le passé est une étape fondamentale permettant à la fois une meilleure connaissance du fonctionnement hydrologique du bassin et une mise en perspective des projections hydro-climatiques futures. Cette thèse a pour objectif et résultat principal de faire progresser l'état des connaissances sur la variabilité hydrologique du bassin de la Durance à l'échelle du dernier siècle. Deux axes principaux ont été développés pour remplir cet objectif. Une première étape a été la recherche et la mise au jour d'un ensemble de longues séries hydrométriques concernant la Durance et ses affluents, permettant d'élever à 11 le nombre de séries centenaires de débits journaliers aujourd'hui disponibles sur ce bassin. Les nombreux documents accompagnant les données retrouvées nous ont par ailleurs permis de retracer, pour une partie de ces séries, l'évolution des méthodes utilisées pour les construire. Un processus de simulation des méthodes anciennes à partir de données horaires disponibles sur la période récente nous a permis de quantifier l'incertitude associée à ces méthodes et de mettre en évidence des biais importants causés par celles-ci sur certaines portions de séries. Une méthode de correction a été proposée et appliquée à plusieurs séries. Le deuxième axe de notre travail a consisté en la reconstitution de séries hydrologiques en différents points du bassin. À cette fin, nous avons présenté et appliqué une méthode originale appelée ANATEM de reconstitution de séries climatiques à l'échelle du bassin versant à partir de données climatiques de grande échelle (champs de pressions atmosphériques), combinées à des informations plus régionales (séries de précipitations ou de températures observées). Les séries climatiques ainsi reconstituées ont ensuite été utilisées en entrée d'un modèle hydrologique pour construire des séries de débits. Ce processus nous a permis d'obtenir une vingtaine de séries hydrologiques couvrant la période 1884-2010 sur le bassin de la Durance. La comparaison des reconstitutions hydro-climatiques avec les longues séries de débits observés aujourd'hui disponibles a permis de valider la chaîne de reconstitution sur une période de plus d'un siècle. Les séries observées et reconstituées illustrent finalement la variabilité hydrologique du bassin de la Durance qui se caractérise par une alternance de périodes sèches et humides à l'échelle de la décennie, ainsi que par une légère tendance à la baisse des débits. Ces longues séries de l'hydrologie du passé permettront de mettre en perspective les études prospectives sur les ressources en eau disponibles à l'échelle du siècle prochain. / Understanding and predicting hydrological variability is becoming a major issue to improve water resources management at the watershed scale, as climate variability and multipurpose use of water increase stress on the available resources. In France, the Durance watershed (South part of the Alps) is both characterised by numerous water-related activities such as hydropower, irrigation, water supply, tourism, and by a wide range of meteorological contexts ranging from mountainous to dry Mediterranean watersheds. As a consequence, this watershed appears as very sensitive to observed and projected climate variability, with an impact on water resources sufficient to question the current balance between users. In order to better forecast the Durance watershed hydrological variability, tracing back its past evolution is an essential step. Indeed, historical knowledge provides a better understanding of how the watershed works, and put into perspective hydro meteorological projections for the next century. The main goal of this Ph.D. thesis is then to improve our knowledge of the hydrological variability of the Durance watershed over the last century. Two main themes have been developed.The first step focused on historical research, bringing to light 11 centennial time-series of daily streamflow on the Durance watershed. Those data were quite well documented, allowing us to follow the evolution of the methods used to construct some of those time-series. Based on recent streamflow time-series, a simulation process allowed us to quantify the uncertainty associated to the methods used in the past, and to highlight the significant biases they carried on some periods of time. A correction process was then developed, leading to the partial revision of some of the time-series. A second step involved reconstructing hydrological time-series at different points of the watershed. An original method, called ANATEM, has been introduced and exhaustively applied to rebuild climatological time-series at the watershed scale. This method is based on the use of large scale climatological variables (atmospheric pressure fields) combined with regional scale observations (observed precipitation or air temperature). Those reconstructed climatological time-series were then prescribed in a rainfall-runoff model, allowing the computation of hydrological simulations on the 1884-2010 period. The comparison of the simulated data with our 11 centennial observed time series allowed us to validate our hydro-climatological reconstruction chain over more than a century. Finally, the observed and simulated time-series illustrate the climatological and hydrological variability of the Durance watershed. This variability is characterised by the succession of alternatively dry and humid periods lasting for ten to fifteen years, and by a slight trend to streamflow decrease. These long-term hydrological time-series will then put into perspective future investigations on water resources available over the next century.

Les grands bassins versants d'échelle continentale, comme le Mississippi, intègrent la réponse hydrologique aux changements climatiques et environnementaux (fluctuations du climat, précipitations, débits, flux sédimentaires) à de larges échelles spatiales et temporelles, mais également les modifications du milieu physique d'origine anthropique (changements d'occupation des sols, aménagements...), ce qui rend parfois difficile l'identification des liens entre la variabilité hydrologique et la variabilité climatique. Les principaux objectifs de ce travail sont de déterminer et de quantifier les relations entre la variabilité hydrologique et les fluctuations du climat (précipitations régionalisées, indices climatiques) à l'échelle du bassin versant du Mississippi et de ses principaux sous-bassins ; via l'utilisation de méthodes d'analyses spectrales adaptées à l'étude des processus instationnaires (analyse en ondelettes continues, analyse de la cohérence par ondelettes). La variabilité hydrologique du Mississippi et de ses principaux affluents est structurée par plusieurs modes de variabilité, s'exprimant de l'échelle annuelle aux échelles inter-annuelle (2-4 ans, 3-6 ans, 5-8 ans), décennale (8-16 ans, 12-16 ans) et à plus long terme (22 ans, 22-26 ans). Ces modes de variabilité sont fortement similaires à ceux observés dans les précipitations (avec une cohérence moyenne de 77% à 89% selon les sous-bassins), et opèrent aux mêmes échelles de temps que la variabilité des principales fluctuations du climat affectant la région (ENSO, PDO, AMO, NAO, NAM et PNA), préalablement identifiés et synthétisés par une méthodologie similaire. La variabilité des débits du bassin versant du Mississippi se trouve influencée par un ensemble de téléconnections (cohérence de 63% à 66% en moyenne avec l'ensemble des indices climatiques), opérant toutefois à différentes échelles spatiales et temporelles, et qui évoluent au cours du temps (relations à divers degrés suivant les différentes échelles de temps, le mode de variabilité du climat mis en jeu et le sous-bassin versant considéré). De plus, la variabilité hydrologique du Mississippi et de ses principaux affluents s'inscrit plus largement dans le cadre d'une rupture majeure du système climatique et des systèmes hydrologiques à l'échelle globale observée vers 1970, qui se traduit notamment par une augmentation et une plus forte variabilité des débits, ainsi que des changements de la composition spectrale des paramètres hydrologiques et climatiques. En ce sens, la construction d'un indice " hydro climatique unifié " à été proposée en reprenant l'ensemble des caractéristiques globales du système climatique et celles plus spécifiques à l'échelle régionale (échelle des sous bassins versants). Enfin, même si la majorité des paramètres hydrologiques se trouve apparemment très fortement liée par les paramètres climatiques, d'autres facteurs, comme les modifications du milieu physique (occupation des sols, aménagements...), peuvent avoir une influence non négligeable sur l'évolution de certains paramètres hydrologiques (hauts et bas débits), mais qui serait beaucoup plus localisée dans le temps et dans l'espace (i.e., elle ne serait pas associée à l'existence d'oscillations dans l'hydrologie). A l'exception des flux hydrosédimentaires, marqués par de profonds changements qui ont pu être reliés aux aménagements du bassin versant et quantifiés par une méthodologie de modélisation spectrale (diminution des flux de sédiments en suspension exportés à l'exutoire d'environ 2,25.10^8 t.an-1 sur la période 1950-1975), ces influences apparaissent spatialement localisées, et restent difficiles à caractériser. Outre leurs faibles contributions, ceci provient également du fait que ces modifications du milieu physique agissent simultanément avec d'autres facteurs pouvant modifier la réponse hydrologique, comme les changements observés dans le climat, qui reste le facteur principal des changements observés.