Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les aérosols sont une composante atmosphérique dont l’impact climatique figure parmi les plus incertains (IPCC, 2013). Cette incertitude est particulièrement forte lorsque ces particules sont localisées au-dessus et en contact avec les nuages, où elles interagissent à la fois avec le rayonnement et les nuages. Ce constat nous impose d’améliorer la représentation des aérosols et des nuages dans les modèles climatiques. Si les capteurs satellitaires passifs jouent un rôle important dans l'observation des aérosols, les algorithmes de restitution de leurs propriétés sont jusqu’à présent limités à l’atmosphère sans nuage. De plus, les aérosols au-dessus des nuages altèrent la restitution des propriétés optiques et microphysiques des nuages par ces mêmes capteurs. Notre effort a porté sur la détection et la caractérisation des aérosols au-dessus des nuages d’eau liquide en s’appuyant sur le capteur satellitaire POLDER/PARASOL. Nous avons mis en place une nouvelle méthode d’inversion des luminances totales et polarisées pour restituer les propriétés clefs des aérosols et des nuages. Ensuite, nous avons développé une procédure de calcul de l’ "effet direct" des aérosols en utilisant les propriétés issues de notre méthode d’inversion. Les flux radiatifs ainsi calculés ont été comparés avec succès à ceux déduits plus directement des mesures du capteur CERES. Ces propriétés ont également été utilisées, régionalement, pour évaluer la fiabilité de la représentation des aérosols au-dessus des nuages dans les modèles AeroCom. Enfin, nous présentons une première analyse de la distribution planétaire annuelle des propriétés des aérosols au-dessus des nuages et de leur effet direct. / Aerosols remain one of the atmospheric components associated with the highest uncertainty on the climate impact (IPCC, 2013). This uncertainty is especially large for aerosols located above or within the clouds, where they can interact with both radiations and clouds. This statement highlights the need to improve the representation of aerosols and clouds in climate models.Passive satellite instruments play a key role in the aerosol monitoring. However, current aerosol retrieval algorithms are restricted to cloud-free atmosphere. Moreover, aerosols overlaying clouds affect the retrieval of cloud optical and microphysical properties from those same sensors. In the first place, the aim of this work was to detect and characterize aerosols above liquid clouds using the satellite instrument POLDER/PARASOL. We have set up a new method to retrieve key aerosol and cloud properties using a combination of radiance and polarization measurements. Then, we have developed a procedure to compute the aerosol "direct effect" which relies on the aerosols properties deduced from our retrieval methodology. The radiative fluxes calculated with this method have been successfully compared to the ones deduced more directly from the measurements of the CERES sensor.The aerosol properties have also been used to assess the ability of the models from the AeroCom community to represent above-cloud aerosols regionally. Finally, we present a first analysis of the annual distribution at global-scale of aerosol properties above clouds and their direct effect.

Le littoral du golfe du Saint-Laurent subit une érosion de plus en plus généralisée depuis plus d'une décennie. Les modifications des conditions environnementales, en partie liées au réchauffement climatique et aux perturbations anthropiques, seraient en bonne partie responsables de l'accroissement de l'érosion côtière. Certains changements environnementaux, tels le déficit sédimentaire des plages, la diminution de la couverture de glace, la hausse du niveau marin relatif et la subsidence augmentent la sensibilité des littoraux aux aléas côtiers. La forte concentration urbaine le long des littoraux du Québec soulève la question de la vulnérabilité des infrastructures et des communautés côtières. Les enjeux socio-économiques associés aux aléas côtiers concernent principalement la vulnérabilité des infrastructures résidentielles, commerciales, industrielles, de services, patrimoniales, routières, ferroviaires et portuaires. Mentionnons aussi les perturbations de certaines activités économiques et les dommages occasionnés aux défenses côtières sans oublier la hausse de leurs coûts d'entretien. Dans une optique de prévention des risques, la gestion intégrée du littoral semble primordiale. Les différents processus d'érosion doivent être bien compris. De plus, les changements climatiques apportent une inquiétude supplémentaire à cette problématique. Les changements possibles dans le régime des événements naturels extrêmes sont encore mal connus. Pour avoir une meilleure compréhension du régime des événements extrêmes, l'analyse des données d'archives sur les événements extrêmes, soit les tempêtes et les pluies diluviennes, qui sont survenus sur les côtes des régions de Sept-Îles, de Percé et des Îles-de-la-Madeleine a été effectuée. Celle-ci permet d'établir des corrélations entre les événements et les impacts réels. Elle permet ainsi de valider l'utilisation des données des stations météorologiques et d'apporter des précisions sur les seuils qui caractérisent les événements extrêmes. Les résultats montrent qu'une analyse faite seulement à partir des stations météorologiques surestime le nombre d'événements extrêmes pouvant affecter la côte. Les récurrences des événements extrêmes calculées à partir des archives de journaux et de documents gouvernementaux varient entre 1 et 4 ans selon la région. L'analyse des données météorologiques donnent une récurrence de moins de 1 an. La plupart des événements de tempête tirés des archives avaient des vents de 40 km/h et plus. Quelques événements avaient même des vents de moins de 40 km/h. Depuis la fin des années 1960, sept événements sont survenus à l'échelle régionale du golfe du SaintLaurent. Les événements de tempête sont plus nombreux en hiver et en automne, alors que les événements de pluie diluvienne se produisent plutôt au printemps et à l'automne selon la région. La saisonnalité est une variable importante à considérer. L'analyse des archives permet de mettre en perspective les impacts des événements qui ne sont pas définis comme étant extrêmes d'après les seuils. Dans l'étude de zonage des risques côtiers, l'approche de l'analyse des archives et des conséquences géomorphologiques des événements extrêmes naturels semble plus appropriée qu'une simple approche statistique des données météorologiques. Dans une perspective de gestion du littoral, l'opinion des résidents est essentielle puisqu'iIs sont les premiers touchés par le phénomène d'érosion. Ils sont également les premiers acteurs à réagir face à l'érosion. Une enquête auprès de cinq communautés du golfe du Saint-Laurent a été effectuée totalisant 232 répondants. L'enquête révèle que plus de 40 % des répondants sont affectés par le phénomène de l'érosion côtière. La comparaison des résultats de l'enquête avec les données géoscientifiques montrent que les résidents ont une bonne connaissance des causes de l'érosion, mais ne voient pas les changements environnementaux qui se produisent. Ces changements se forment de façon progressive et sont parfois imperceptibles aux yeux des résidents. Les répondants constatent cependant la diminution importante de la couverture de glace côtière observée depuis la fin des années 1990. Ils remarquent aussi une augmentation des redoux hivernaux, comme le montre les données des températures des stations météorologiques situées dans les régions d'étude. La diminution de la largeur des plages et la hausse du niveau marin relatif ne semble pas perceptible par les résidents. De plus, une majorité des répondants favorisent l'enrochement pour se protéger contre l'érosion côtière, malgré le fait que cette méthode ne soit pas appropriée pour tous les types de côte. Les mesures de protection mises en place sont, d'ailleurs, dans la plupart des cas, inappropriées et ne prennent pas en compte le milieu naturel. Il reste donc encore beaucoup de sensibilisation à faire auprès des résidents sur la dynamique côtière et sur les mesures d'adaptation face aux risques côtiers. La sensibilisation aura comme effet d'augmenter la résilience des résidents face à l'érosion côtière et de diminuer la vulnérabilité des communautés côtières.

Une croyance véhiculée par bon nombre de scientifiques et fortement médiatisée, veut que le réchauffement planétaire provoque une augmentation de la variabilité du climat et des extrêmes climatiques. Cela constitue présentement l'une des préoccupations mondiales majeures du fait des répercussions sur le bien-être des populations, l'environnement, et l'économie. L'objectif principal de cette recherche consiste à élucider en partie cette question pour la province de Québec, à l'aide de la température, le paramètre prépondérant du climat (Env. Can, 1992). Il s'agit donc de vérifier si le réchauffement qu'a connu le Québec au courant du XXe siècle, a engendré une plus grande variabilité inter annuelle et à chacune des saisons, et inter mensuelle des températures. Au Québec, les relevés de la température maximale et minimale moyenne mensuelle, couvrant la période 1895 à 1995, ont récemment été homogénéisés à plus de vingt-deux stations météorologiques réparties du nord au sud de la province. Trois hypothèses sous-tendent l'objectif principal : 1- Le climat actuel est plus variable qu'au début du siècle, lorsque que le climat était plus froid; 2- Il existe une corrélation positive entre la température et la variabilité (puisque nous pensons qu'une hausse de la température va s'accompagner d'une hausse de la variabilité); 3- La période comprise entre 1940 et 1970 a été la moins variable du siècle. Cette dernière hypothèse a été formulée par des chercheurs d'Environnement Canada, et reprise ici afin d'être validée pour le Québec. Au niveau méthodologique, nous avons d'abord divisé le Québec en quatre zones géographiques. L'échelle temporelle de 30 ans a été retenue pour refléter les tendances au réchauffement et au refroidissement (moyenne mobile), et les tendances à l'augmentation et à la diminution de la variabilité (écart-type mobile) au courant des trois périodes à l'étude : 1895 à 1940, 1941 à 1970, et 1971 à 1995. Contre toutes attentes, le réchauffement a engendré une baisse de la variabilité inter annuelle et inter mensuelle jusque vers 1970. Après cette date, la légère hausse des températures s'est traduite par une augmentation de la variabilité, presque équivalente à celle du début du siècle, alors que les températures étaient plus froides. L'objectif principal est donc véridique depuis 1970, mais la première hypothèse est rejetée. Les températures moyennes annuelles provinciales étaient plus variables au début du siècle qu'au courant de la dernière période. Également, les corrélations inverses des courbes de la moyenne mobile et de l'écart-type inter annuel et inter mensuel au niveau provincial et zonal, nous obligent à rejeter la deuxième hypothèse. La saison estivale dans le Sud du Québec montre une corrélation positive plus forte (0,65) qu'aux autres saisons, avec un niveau de signification de 99,5%. Pour sa part, la troisième hypothèse est celle qui laisse le moins d'ambiguïté. La période comprise entre 1940 et 1970 a été la moins variable du siècle à l'échelle provinciale et zonale, autant au niveau inter annuel, qu'inter mensuel. De tels résultats laissent supposer qu'un réchauffement substantiel peut provoquer une élévation de la variabilité au courant des mois les plus chauds, soit à l'été et à l'automne, qui se fera davantage sentir dans le Sud du Québec, là où la température est la plus élevée et où se concentre plus de 80% de la population. Inversement, si la tendance se poursuit, les régions de basses températures telles que le Nord et le Centre de la province, connaîtront une baisse importante de la variabilité hivernale et printanière. Étant donné l'importance de ce sujet au niveau sociétal pour les générations présentes et futures et devant l'incertitude face au climat, il faut entamer dès maintenant un suivi rigoureux des fluctuations de la température afin de se préparer humainement, environnementalement, et économiquement, à faire face à des changements. ______________________________________________________________________________

Au cours des 50 dernières années, l'Afrique de l'Ouest a subi une des plus fortes variations de la pluviométrie observées à l'échelle du Globe. Ces fluctuations climatiques ont non seulement affecté le régime des précipitations mais elles ont également engendré des conséquences sur les ressources hydrologiques et végétales. Cette thèse traite de la variabilité climatique et de ses conséquences sur les ressources en eau et la dynamique des zones humides notamment des Niayes du Sénégal au cours de la période comprise entre 1950 et 2004. La thèse s'articule autour de trois volets. Le premier est une caractérisation inter-annuelle et quotidienne de la variabilité climatique par l'analyse de tendance de quelques indices de variabilité et d'extrêmes de précipitations. Le second volet porte sur la réponse des systèmes hydrogéologiques des Niayes à la variabilité pluviométrique par une analyse inter-annuelle (1958-2002) et intra-annuelle du niveau de la nappe. Deux exemples extrêmes sont analysés pour illustrer le phénomène: l'année excédentaire de 1958 et l'année déficitaire de 1974. Enfin, l'impact de la variabilité hydro-climatologique sur les zones humides a été estimé à partir d'un suivi de l'évolution des zones humides via l'analyse diachronique de photographies aériennes des années 1954, 1974 et 2000. Les résultats de l'étude montrent que le déficit pluviométrique enregistré dans la région des Niayes depuis la fin des années 1960 est lié à une réduction du nombre de jours pluvieux (2j/10 ans en moyenne) et une hausse du nombre maximum de jours secs consécutifs (4j/10 ans en moyenne) au cours de la saison de mousson entre avril et octobre. Le nombre de jours dépassant les fortes valeurs de précipitations (par rapport au 90e centile) a également subi une baisse. Par contre, les précipitations cumulées sur trois jours atteignent souvent le 1/4 du cumul annuel ce qui confirme le rôle joué par les événements extrêmes sur l'intensité moyenne et les cumuls mensuels ou saisonniers des précipitations. En plus d'une réduction de la durée de la saison pluvieuse qui est passée de plus de cinq mois à près de trois mois entre 1950 et 2004, les précipitations ont davantage baissé au Sud qu'au Nord, induisant une réduction du gradient Sud-Nord. La Nappe des Sables Quaternaires est actuellement à un niveau extrêmement bas résultant d'une longue période pluviométrique déficitaire. Le maximum piézométrique est passé, sur l'ensemble de la région, de +55 m en moyenne en 1958 à +22 m en 1994 (au dessus du niveau 0 de la mer). Les plus fortes variations sont enregistrées au cours des années 1970 et 1980 -notamment au sud de la région des Niayes -avec -0.60 m tous les dix ans. Le bilan hydrologique de l'année 1974 suggère que les facteurs naturels sont les principales causes de destockage de la nappe avec 96% des sorties dont 89% par évapotranspiration. À l'échelle saisonnière, la recharge de la nappe dépend de la fréquence, de l'intensité et de la durée des précipitations et des séquences sèches à l'intérieur de la saison pluvieuse plus que du cumul annuel. En année de précipitations excédentaires (1958), le temps de recharge est de 5 à 7 mois contrairement en année «sèche» (1974) où les fluctuations piézométriques sont quasi nulles. La dégradation actuelle des conditions hydro-climatiques se manifeste par un asséchement progressif de zones humides. Sur l'ensemble de la région des Niayes, la superficie des zones inondées en permanence est passée de plus de 1000 ha en 1954 à moins de 170 ha en 1974 pour atteindre environ 50 ha en 1982. En 2000, aucune zone inondée en permanence n'est perceptible. Dans le secteur de Mboro (15°9 N -16°54 W) les zones inondées en permanence se sont transformées progressivement en sols à hydromorphie partielle. La «reprise pluviométrique» observée à la fin des années 1990 n'a pas inititié une réaparition en surface de la nappe qui subit un «effet mémoire» dû aux déficits pluviométriques répétés. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Sénégal, Niayes, Variabilité climatique, Précipitation, Hydrogéologie, Nappe des Sables Quaternaires, Zones humides, Changement climatique.

Cette recherche concerne un effet radiatif indirect d'aérosol sur le nuage d'hiver et le climat arctique, c'est-à-dire la rétroaction de déshydratation-effet de serre, qui a été originalement formulée par Blanchet et Girard (Nature, 1994). Les activités anthropiques et biogéniques produisent l'acide sulfurique, une prolongation vers le nord du problème de précipitation acide de moyennes latitudes, qui couvrent la plupart des aérosols existants. Les études précédentes ont prouvé qu'une concentration plus grande de l'acide sulfurique diminue la pression des vapeurs saturantes au-dessus de l'aérosol et abaisse le point de congélation. Aux basses températures, ce processus empêche la production de cristaux de glace et favorise la formation d'un nombre réduit de plus grands cristaux de glace au lieu de beaucoup des plus petites. Dans la pratique, on augmente la formation de précipitation des cristaux de glace de bas niveau et en défaveur d'un brouillard de glace ou d'un stratus plus persistant. La déshydratation de la basse atmosphère diminue l'effet de serre et produit un refroidissement de la surface. La rétroaction déshydratation-effet de serre est étudiée en utilisant un modèle régional du climat 3D. Deux ensembles de 12 simulations de février 1990 sont comparés: le cas de référence, pour un scénario d'aérosols naturels et le cas perturbé, pour un scénario d'aérosols acides. Les résultats montrent que la rétroaction déshydratation effet serre est plus important au-dessus de l'Arctique central avec un refroidissement en surface jusqu'à 3.3 K. Le refroidissement en surface dans l'Arctique renforce la zone barocline au-dessus de l'Europe nordique en produisant une rétroaction positive sur la circulation. En conséquence, la couverture de nuage et la précipitation au-dessus de l'Europe nordique sont augmentés, le transport d'aérosols anthropiques de moyenne latitudes vers l'Arctique est plus efficace et le refroidissement de la basse atmosphère dû à la diminution résultante des noyaux de glace (liés à l'augmentation de la concentration d'aérosol d'acide sulfurique) est augmenté.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Le rapport spécial du GIEC (SR1.5) publié en octobre 2018 est sans équivoque. Avec un réchauffement global d'environ 1°C en 2017 par rapport au début de l'ère industrielle et une teneur de CO2 dans l'atmosphère de 400 parties par million, l'Homme a d'ores et déjà modifié substantiellement le climat. L'évaluation de scénarios climatiques à bas niveau d'émissions limitant le réchauffement global à venir en deçà de 2°C montre que nous sommes désormais face à un défi scientifique, technique et civilisationnel sans précédent. Le GIEC stipule que chaque année perdue en matière d'atténuation rend un peu plus plausible la perspective d'une véritable "catastrophe" climatique. Dans ce contexte alarmant, les techniques de modification du rayonnement solaire sont de plus en plus étudiées comme une alternative à court terme pouvant limiter les impacts liés à la hausse de la température globale, en attendant la mise en œuvre et/ou la faisabilité de techniques d'atténuation suffisamment efficaces. La modélisation du système Terre reste à ce jour le seul moyen d'étudier dans quelles mesures ces techniques pourraient effectivement s'insérer dans la lutte contre le changement climatique. Le but principal de cette thèse est de quantifier et de réduire les incertitudes quant à la réponse des modèles aux simulations de géo-ingénierie de type modification du rayonnement solaire, en accordant une attention toute particulière aux effets collatéraux sur les cycles de l'eau et du carbone. Dans un premier temps, nous avons exploité les simulations existantes du projet GeoMIP, et avons identifié une relation statistique émergente entre le refroidissement obtenu dans les simulations de modification du rayonnement solaire, et le refroidissement induit par les éruptions volcaniques majeures dans les simulations historiques. Sur la base de plusieurs jeux d'observations, nous avons évalué la réponse des modèles aux éruptions et ainsi contraint la réponse à la modification du rayonnement solaire, réduisant son efficacité potentielle de 20% et l'incertitude associée de 40%. Par la suite, nous nous sommes intéressés à la réponse du cycle du carbone et avons montré que les changements climatiques induits par cette forme de géo-ingénierie tendent à stimuler les puits de carbone continentaux et océaniques. Nous avons cependant pointé l'incertitude qui entoure les processus responsables de cette augmentation, et également la réversibilité du cycle du carbone en cas d'arrêt de la géo-ingénierie. Malgré le renforcement des puits naturels de carbone, ce dernier résultat confirme que cette forme de géo-ingénierie ne peut être considérée comme une technique d'atténuation du fait de la non pérennité du stockage additionnel des émissions anthropiques de carbone dans les réservoirs océanique et terrestre. Enfin, nous nous sommes intéressés à d'autres sources d'incertitudes, liées au choix du protocole expérimental ou du modèle mis en oeuvre. Nous avons en particulier mis en lumière l’influence potentielle de la stratosphère et de son couplage avec la circulation troposphérique sur la réponse régionale des modèles à nos latitudes.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Il existe un phénomène dans la pensée contemporaine qui s'appelle le changement climatique. Cependant, lorsque nous observons les sondages d'opinion, nous remarquons qu'il existe un grand écart entre les croyances sur le changement climatique de la communauté scientifique et le reste de la population. Ceci a mené une réflexion sur la manière dont le groupe responsable de la découverte et la transmission d'informations sur le climat peut être cru ou douté par le reste de la population et, de façon plus générale, le rôle de la science dans la résolution de controverses. Dans cette même intention, nous nous sommes servis de la sociologie pragmatique de la justification pour réconcilier les explications précédentes pour cet écart de même que la théorie du risque. Une exploration statistique a alors été employée pour tenter de comprendre la définition du risque qui soutenait la création d'organismes climatosceptiques américains. Nous avons fait ceci en construisant des modèles en nous servant de la régression logistique pour étudier la relation entre la croyance au consensus scientifique sur le changement climatique et quatre différentes facettes du phénomène en soi, contrôlés par des variables démographiques, religieux, de classe sociale, politiques et scientifiques. Nous avons pu ainsi déterminer quelles variables impactent la relation entre l'autorité scientifique et un phénomène en soi. Une étude de nos modèles nous a amenés à conclure que les catégories démographiques les plus privilégiées ainsi qu'une certaine classe sociale semi-spécialisée se servant davantage des techniques de production associés à la première modernité sont les plus propices à douter le changement climatique, indépendamment du consensus scientifique. Une recherche sociologie subséquente sur les organismes climatosceptiques doit donc être structurée autour de ces deux facteurs.