Afin d'étudier le cycle de l'eau à l'échelle régionale, le couplage d'ISBA (le schéma de surface de Météo-France) avec MODCOU (le modèle hydrologique de l'Ecole des Mines de Paris) a été mis au point sur le Rhône pour l'année 1987/88 par Habets (1998). En raison de la forte composante nivale alpine du bassin, CROCUS (le modèle de neige de Météo-France) a été rajouté dans le système complet. La simulation du bassin versant du Rhône a ensuite été étendue à 14 années (de 1981 à 1994). Les forçages atmosphériques ont été analysés à l'aide du système SAFRAN, spécialement conçu pour les zones de relief. Bien qu'aucun étalonnage sur les débits n'ait été réalisé, les résultats du système sont validés de manière satisfaisante par comparaison avec les débits quotidiens observés en 145 stations de jaugeage sur les grands cours d'eau du bassin versant du Rhône. L'enneigement simulé reproduit bien les hauteurs de neige observées quotidiennement pour 24 postes d'altitude. Le bilan hydrique du bassin apparaît très contrasté et met en lumière trois grands ensembles : les bassins nivo-pluviaux et humides du nord (Saône, Doubs, Ain), les bassins pluviaux et secs du sud (basse Durance, Ardèche) et les bassins alpins fortement enneigés (Isère, Drac, Haute-Durance). L'outil ainsi validé a ensuite été utilisé pour évaluer l'impact d'un changement climatique sur les grandes composantes hydriques du bassin versant. Une attention particulière a également été apportée à l'impact d'une augmentation de la résolution des calculs sur la qualité de la simulation du bassin nival de la Haute-Durance.

Les politiques énergétiques ne peuvent plus ignorer leurs conséquences sur le climat. Mais il s'agit d'un problème à long terme et encore mal connu scientifiquement. Plusieurs raisons justifient qu'il serait plus économique de reporter de quelques décennies le contrôle des émissions de gaz à effet de serre : l'actualisation, le progrès technique, l'inertie du stock de capital en place et l'irréversibilité des investissements nécessaires à ce contrôle. Mais d'autres arguments, aussi examinés dans cette thèse, incitent à la prudence : l'inertie des systèmes socio-économiques futurs, le progrès technique induit, et l'irréversibilité possible des évolutions climatiques.<br />Après une présentation des conditions générales du problème du changement climatique au chapitre 2, puis une exposition plus historique des débats au chapitre 3, le chapitre 4 passe en revue un nombre substantiel de modèles intégrés ayant contribué à l'analyse de la question. Le chapitre 5 expose un modèle intégré sur la réduction optimale des émissions de CO2, DIAM, pour montrer dans quelle mesure les travaux précédents surestimaient les coûts de réduction à long terme et sous estimaient les coûts d'ajustement. Il apparaît qu'étant donné une date de stabilisation de la concentration atmosphérique de CO2, une inertie plus élevée implique une trajectoire optimale de concentration plus basse. <br />Formulant ensuite au chapitre 6 le problème en termes de décision séquentielle, on trouve que l'incertitude actuelle sur le plafond de concentration « sans danger pour le système climatique » justifie une action notable à court terme. Enfin, le chapitre 7 se replace dans le cadre de la théorie de l'effet d'irréversibilité, pour comparer empiriquement l'irréversibilité environnementale avec l'irréversibilité des investissements en calculant une valeur d'option associée un contrôle précoce des émissions de gaz à effet de serre.

The Earth's climate is changing. This is a conclusion of the Third Assessment Report published by the International Panel on Climate Change. The increasing concentrations of greenhouse gases and sulphate aerosols alter the energy path through the atmosphere. In the future, a likely consequence of the induced global warming is an increased melting of the Greenland ice sheet. This could lead to abrupt climatic modifications associated with the collapse of the thermohaline circulation in the North Atlantic. To investigate this issue, a coupled model of the climate system has been developed. Most components of this system are taken into account by this model. LMD5, an atmospheric general circulation model originating from the Laboratoire de Météorologie Dynamique in Paris, simulates the atmosphere. CLIO2, an oceanic general circulation model set up at the Institut d'Astronomie et de Géophysique G. Lemaître at the UCL, accounts for the ocean and the sea ice. Finally, GISM is a Greenland ice-sheet model developed at the Vrije Universiteit Brussel (VUB). The atmospheric and oceanic components had already been coupled. A new version has been elaborated during this thesis to enable long-term realistic simulations. To restrain the initial drift, adjustements have been made in atmospheric, oceanic and sea-ice parameters in collaboration with the research teams that set up the models. Other modifications have been performed in the framework of climate change experiments to separately handle greenhouse gases and sulphate aerosols. Finally, LMD5-CLIO2 has been coupled to GISM in collaboration with VUB researchers. Validation of LMD5-CLIO2 implies a 150-year long control simulation under constant 1970 forcings. The validation is twofold: on the one hand, the LMD5-CLIO2 results have been contrasted with observational estimates and on the other hand, these have been compared to other coupled models results. This leads to the conclusions that LMD5-CLIO2 simulates relatively well the present- day climate and that it performs as well as many other coupled models. Two climate change experiments have been carried out using the IPCC SRES B2 scenario. The first one deals with the impact of greenhouse gases and sulphate aerosols on the 21st century climate. The globally averaged warming reaches 2.4°C at the end of the 21st century compared to 1970. The hydrological cycle is amplified: precipitation increases by 3.3 % over the same period. This corroborates the projections of other coupled models. Consequently, it improves our confidence in the LMD5-CLIO2 simulations. The second climate change experiment performed with LMD5-CLIO2-GISM investigates the impact of the Greenland ice-sheet freshwater flux on the North Atlantic thermohaline circulation. To our knowledge, it is the first time that such a complex coupled model is used to analyse this issue. In this simulation, deep convection in the North Atlantic ocean shuts down at the end of the 21st century, which is an unusual result. The strong and abrupt reduction of the intensity of the thermohaline circulation implies significant mainly local modifications of sea ice and of the atmosphere. Cautions should be exercised to this projection. Firstly, LMD5-CLIO2 has deficiencies which probably influence the results. Secondly, modifications of the initial conditions could lead to another projection: such spectacular event not occurring or differences as to when it happens. Consequently, other ensemble simulations should been performed. Thirdly, the current simulation is too short to know if the reduction is temporary or not. Longer experiments are therefore required.

L'entité formée par les villes de La Paz et El Alto est l'agglomération urbaine la plus importante de la Bolivie. Comme dans toutes les grandes villes, la gestion des ressources en eau représente un défi de taille à relever. Les décisions stratégiques concernant la gestion de l’eau revêtent une importance capitale du fait de l’importance de ces deux villes sur le plan national. De telles décisions doivent être prises en tenant compte d’interactions complexes entre facteurs environnementaux, légaux et sociétaux. Citons notamment, les conditions particulières du milieu telles que la géographie, la dynamique des ressources en eau, l'infrastructure existante et à prévoir, les lois sur la propriété des ressources et surtout l’état des connaissances actuelles et de la recherche sur l'ensemble des variables et des enjeux de la gestion de l’eau. Dans cette thèse, nous présentons une analyse des variables et des enjeux de la gestion de l'eau comme un outil utile pour déterminer les bases de l’application de la GIRE (Gestion Intégrée des Ressources en Eau). Cette analyse nous permet à la fois de diminuer les incertitudes qui existent sur chacune de ces variables mais aussi d’établir les relations de dépendance entre elles et de conclure à l’importance relative de chacune de ces variables dans le bilan de l’offre et de la demande en eau. Cette analyse représente également un outil de diagnostic des systèmes en eau existants pouvant être utilisé pour la planification future de la gestion de l’eau. En suivant cette démarche, les décisions à prendre sur la gestion de l’eau tant dans le cadre de la planification stratégique que dans celui de l’utilisation quotidienne de l’eau se baseront sur des connaissances approfondies, permettant de diminuer les risques d’erreur. Nous présentons comme résultats de cette recherche, plusieurs conclusions concernant les variables telles que les précipitations, la dynamique de l’apport du bassin versant, le rôle des glaciers dans cet apport, la démographie, la consommation en eau, les pertes dans les systèmes ainsi que l’analyse réalisée sur les contraintes qui pèsent sur les futures sources en eau des villes de La Paz et d’El Alto. La prise en compte de l’ensemble de ces aspects dans le cadre du bilan de l’offre et de la demande en eau nous apporte comme résultats : l’influence relative de chaque variable, l’analyse et les moments clés de la gestion de l'eau (temps de la gestion) et une proposition pour sa mise en oeuvre. Par l’application des modèles utilisés et des nouvelles méthodes suggérées dans ce travail, nous proposons de nouveaux outils pour la gestion quotidienne de l’eau.

Depuis la fin des années 1980, la communauté scientifique internationale s'intéresse au changement climatique global et s'interroge sur ses impacts futurs à l'échelle planétaire. Les différents rapports du GIEC (Groupe d'Experts Intergouvernemental sur l'Evolution du Climat) ont alerté la communauté internationale d'une augmentation de la température ainsi que de la fréquence et de l'intensité des aléas climatiques au niveau mondial. Même s'il existe de nombreuses incertitudes sur l'intensité du changement climatique et ses conséquences, l'amélioration de la fiabilité des Modèles de Circulation Générale du climat (MCG) et la corrélation positive entre les rejets de Gaz à Effet de Serre (GES) et l'augmentation des températures de ces dernières décennies montrent que le réchauffement global sera compris entre 2 et 6°C (selon les scénarios et les modèles) à l'horizon 2050-2100. Les impacts sur l'Homme ou les territoires, aux échelles globales et régionales, estimés à partir des MCG indiquent une augmentation des calamités climatiques telles que l'augmentation des sécheresses, de la fréquence et de l'intensité des épisodes de vagues de chaleur, etc. Ces évolutions pourront avoir de lourdes conséquences sur les écosystèmes et sur les sociétés notamment en matière de sécurité alimentaire et de malnutrition. Les résultats de ces programmes de recherche ont été obtenus principalement à partir de la modélisation numérique et grâce à des collaborations internationales entre les physiciens de l'atmosphère, les géophysiciens et les sciences de l'environnement. Mais très peu de géographes-climatologues ont participé à ces études. Pourtant, les géographes-climatologues, de part leurs compétences en terme d'analyse de données climatiques, de la connaissance du " terrain " et des méthodes de spatialisation de données climatiques basées sur les relations avec les caractéristiques environnementales (ex : méthodes géostatistiques, outils tels que la géomatique, ...) aux échelles régionales voire locales commencent à s'impliquer et à être impliqués dans les études d'impact du changement climatique que ce soit dans le domaine de la validation des sorties de modèles ou de l'adaptation à plus ou moins long terme. En effet, même si les simulations climatiques pour le futur abordent des échelles relativement larges, de réels progrès ont été réalisés au niveau de la résolution des sorties des modèles. C'est certainement sur la question de l'analyse et de la modélisation des climats régionaux et locaux que les géographes-climatologues pourront apporter leurs compétences pour l'amélioration des connaissances sur l'impact du changement climatique sur l'Homme et ses activités. Cela passe nécessairement par une démarche pluridisciplinaire avec notamment des collaborations au niveau scientifique, entre les physiciens de l'atmosphère, les sciences des techniques de l'information et de la communication (SIG), les agronomes, les sciences de la société ... et avec les " acteurs " (ex : politiques, agriculteurs, ...) sur le plan du transfert de l'information. Dans l'optique d'étudier l'impact du changement climatique aux échelles fines que ce soit au niveau des mesures ou de la modélisation, notre démarche consiste à installer des réseaux de mesures adaptées aux échelles fines qui permettront d'étudier les climats locaux en relation avec les activités humaines concernées et en fournissant des données à échelles fines qui permettront de participer à l'amélioration actuelle de la résolution spatiale des modèles notamment par l'intermédiaire de la validation des données. A plus long terme, ces réseaux (notamment ceux mis en place dans le cadre des programmes ANR-JC-TERVICLIM, GICC-TERADCLIM et ECORURB) auront pour vocation à être complétés et surtout être pérennisés afin d'obtenir une base de données climatiques adaptée aux échelles locales qui pourra être utilisée dans le futur pour réaliser des analyses en relation avec le changement climatique. Cette démarche scientifiques et les réseaux de mesures mis en place dans le cadre d'étude de climatologie appliquée font très souvent appel à une demande sociétale (ex : Plan Climat pour la lutte contre le changement climatique en ville, lutte contre les calamités agro climatiques, ...) sur les questions d'adaptation au changement climatique, à court, moyen et long terme. Pour ce travail d'Habilitation à Diriger des Recherches, seront présentés successivement : - la méthodologie mise en place pour l'analyse et la modélisation du climat aux échelles fines en montrant notamment comment ce type de démarche scientifique peut être un apport pour l'analyse de l'impact du changement climatique sur nos sociétés ; - des applications concrètes dans le domaine de la viticulture mondiale avec les programmes ANR-JC-TERVICLIM et GICC-TERADCLIM portant sur " l'observation et la modélisation du climat à l'échelle des terroirs viticoles dans le contexte du changement climatique ; - puis, les perspectives de recherches dans le domaine de l'analyse et de la modélisation climatique aux échelles fines et les adaptations possibles au changement climatique.

Dans un contexte de réchauffement climatique, la fonction puits de carbone des tourbières à sphaignes est susceptible d'être altérée en raison d'une modification des interactions sphaignes-microorganismes, responsables de l'accumulation de carbone. L'objectif de cette thèse a été (1) d'identifier les interactions chimiques entre les polyphénols des sphaignes et les communautés microbiennes des sphaignes et (2) d'évaluer l'impact du réchauffement climatique sur ces relations.Un dispositif expérimental (Open Top Chambers) simulant in situ une hausse modérée des températures (+ 1°C) a été installé sur la tourbière de Frasne (25). La hausse des températures a provoqué une modification du réseau alimentaire microbien avec l'augmentation de la biomasse des bactéries et une baisse importante (-70%) de la biomasse des prédateurs (amibes à thèque). Le réchauffement climatique a également induit une baisse de la production de polyphénols, diminuant ainsi leur effet inhibiteur sur les microorganismes. En parallèle à cette baisse, une hausse des activités enzymatiques phénoloxydases a également été enregistrée. Le réchauffement a ainsi modifié les relations polyphénols - phénoloxydases, deux éléments essentiels du cycle du carbone des tourbières.Les différents changements induits par le réchauffement climatique (polyphénols, phénoloxydases, réseau trophique microbien) ont aussi conduit à une modification des relations " sphaignes-microorganismes " via une accélération potentielle du recyclage des nutriments, ce qui pourrait influencer sur le long terme le fonctionnement de l'écosystème tourbière.

Les fluctuations climatiques Quaternaires (<2.5 Ma) offrent un contexte approprié à l'étude de l'impact du changement climatique actuel sur la biodiversité. La dernière glaciation, dont le maximum glaciaire s'est terminé il y a environ 19 000 ans, a ainsi largement participé à la distribution des espèces actuelles. Les derniers milliers d'années constituent donc une période propice à l'étude de la mise en place et du maintien de la biodiversité.L'objectif de ma thèse a été de mieux comprendre comment une espèce de rongeur forestier apparue il y a environ 2 Ma, le campagnol roussâtre (Myodes glareolus), a répondu à ces cycles du Quaternaire. Mon étude s'est basée sur une approche morphométrique de plusieurs caractères impliqués dans la mastication (mandibule et molaires), visant à quantifier la différenciation de forme associée à l'influence de différents facteurs.Des résultats contrastés ont été obtenus selon le caractère considéré, la mandibule montrant une importante variabilité liée aux variations de la structure d'âge des populations. Au contraire, les molaires ont pu être utilisées comme marqueur de la structuration biogéographique du campagnol roussâtre.L'étude dans l'actuel des variations de taille et de forme des molaires et mandibules du campagnol roussâtre Myodes glareolus a nécessité l'intégration de thématiques variées touchant au patrimoine génétique des organismes, à leur développement, aux traits d'histoire de vie, à l'environnement, etc. Ceci a permis de mieux appréhender la complexité des processus conduisant à la grande diversité des patrons de forme observés chez le campagnol roussâtre.

Nous nous proposons dans cette thèse d'étudier les interactions entre politiques climatiques et budgétaires, dans un cadre unifié tenant compte de la dynamique de l'endettement des États, des arbitrages intergénérationnels, et de l'existence de disparités sectorielles. Dans un premier temps, nous identifions les enjeux autour de la réussite d'une réforme fiscale environnementale et les conditions structurelles influençant le succès d'une telle réforme. Une approche de la problématique au travers d'un exercice de modélisation nous permet par la suite de traiter des impacts intergénérationnels et sectoriels de différents designs de réformes fiscales environnementales dans le cas français. Il apparaît en particulier que la taxation de l'énergie finale en tant que facteur de production intermédiaire, associée à une réduction des charges fiscales pesant sur le travail permet de limiter relativement plus les coûts associés à la politique climatique. Enfin, dans une dernière partie nous nous intéressons plus spécifiquement au secteur électrique, et aux conséquences de différents scénarios de politiques climatiques et budgétaires en termes de coûts de production pour ce secteur. Nous montrons que si les tensions sur les finances publiques ne se résorbent pas, la hausse du coût de financement pourrait être défavorable au renouvellement du parc électrique en faveur de technologies décarbonées telles que les ENR. Ainsi, au travers d'approches macro-économique et sectorielle, ces travaux de thèse permettent d'illustrer l'arbitrage auquel les gouvernements pourraient être confrontés quant au mode de recyclage des recettes fiscales vertes retenu dans la politique climatique.

Depuis 2006, Électricité de France (EDF) applique une nouvelle approche hydroclimatologique de prédétermination des pluies et crues extrêmes, la méthode SCHADEX, pour le dimensionnement des évacuateurs de crues de ses barrages. Dans un contexte de changement climatique global, potentiellement amplificateur de la fréquence et de l'intensité des événements extrêmes, l'application de la méthode SCHADEX en conditions non-stationnaires est un sujet d'intérêt majeur pour les hydrologues d'EDF. Aussi, l'objectif scientifique des travaux de thèse entrepris a été d'évaluer la capacité de la méthode SCHADEX à prendre en compte l'information contenue dans les simulations du climat futur, pour estimer les crues extrêmes du futur. Les difficultés avérées des modèles climatiques et des méthodes de descente d'échelles à simuler des distributions de pluies courantes et extrêmes à l'échelle d'un bassin versant ont été contournées, en développant et en testant de nouvelles approches méthodologiques. De plus, la décomposition des processus générateurs de crues extrêmes proposée par la méthode SCHADEX a été utilisée afin d'incorporer différentes évolutions climatiques simulées, et de quantifier l'impact relatif de ces processus sur l'estimation de débits extrêmes. La méthode SCHADEX a tout d'abord été appliquée en temps présent dans différents contextes climatiques (France, Autriche, Canada et Norvège), grâce à des collaborations avec plusieurs partenaires académiques et industriels. Une analyse de sensibilité des estimations de crues extrêmes à la variabilité climatique observée a été réalisée sur plusieurs bassins versants. Cette analyse a permis de quantifier, de manière indépendante, le degré de sensibilité des estimations à l'aléa pluie, à la saturation des bassins versants et à la transformation pluie-débit. Les résultats obtenus ont ainsi révélé la grande sensibilité des estimations SCHADEX à l'aléa pluie forte et à la transformation pluie-débit, réalisée par le modèle hydrologique. S'appuyant sur les résultats de l'analyse de sensibilité, des travaux ont ensuite été réalisés afin d'estimer les évolutions futures des variables clés préalablement identifiées. Des sorties récentes de modèles climatiques (réalisées dans le cadre du projet CMIP5) ont été analysées, et ont permis de déterminer des fréquences d'occurrences futures d'épisodes pluvieux, ainsi que des conditions futures de saturation des bassins versants. L'incorporation de ces séries au sein de la méthode SCHADEX entraîne une diminution non négligeable des débits de crues extrêmes estimés. Dans le but de prédire l'intensité des pluies futures à partir de simulations de températures de l'air, des tests ont été entrepris sur plusieurs centaines de pluies de bassin françaises, afin de relier les températures de l'air observées avec les intensités de pluies extrêmes observées. Les résultats obtenus révèlent une augmentation moyenne de 6% des quantiles de pluies extrêmes par degré d'augmentation de la température de l'air, au pas de temps journalier. Néanmoins, des tests supplémentaires sont nécessaires pour déterminer sur quelles gammes de températures, et à quel pas de temps cette augmentation est valable. Enfin, ces différentes évolutions futures ont été toutes incorporées au sein de la méthode SCHADEX. Cet exercice final a montré la difficulté de quantifier l'impact du changement climatique sur les crues extrêmes, du fait de processus qui s'additionnent (diminution des débits extrêmes due à la fois à l'évolution des fréquences d'occurrences d'épisodes pluvieux et à l'évolution des conditions de saturation des bassins versants) et d'autres qui s'opposent (augmentation des débits extrêmes due à l'augmentation de l'intensité future des épisodes pluvieux). Si l'analyse de sensibilité des estimations de crues extrêmes a soulevé de nombreuses questions relatives au calage du modèle hydrologique utilisé dans la méthode SCHADEX, la quantification de l'intensité des épisodes pluvieux futurs constitue l'enjeu clé de la prédétermination des pluies et crues extrêmes en contexte de changement climatique.

Les modèles régionaux de climat (MRCs) permettent de simuler les écoulements atmosphériques sur une région limitée de la surface terrestre. Pilotés à leurs frontières latérales par des données à basse résolution provenant de modèles mondiaux (MCGs), ils permettent d'augmenter considérablement la résolution spatiale des simulations en vue de répondre au besoin grandissant d'évaluer les impacts régionaux reliés aux changements climatiques. Plusieurs études ont démontré que la taille du domaine régional est un paramètre pouvant affecter considérablement les résultats des simulations. En effet, le domaine doit être assez grand pour permettre le développement des fines échelles qui n'existent pas dans les conditions aux frontières latérales. D'un autre côté, une simulation effectuée sur un trop grand domaine peut montrer d'importantes différences avec les données de pilotage si aucun forçage des grandes échelles n'est appliqué à l'intérieur du domaine régional. Les effets reliés à la taille du domaine d'intégration d'une simulation MRC sont évalués selon le cadre expérimental du "Grand-Frère". L'expérience consiste d'abord à générer une simulation climatique à haute résolution (-45 km) sur un domaine continental couvrant la majorité de l'Amérique du Nord, sur 196x196 points de grille. Cette simulation de référence, le Grand-Frère (GF), est ensuite traitée à l'aide d'un filtre passe-bas ayant la propriété de conserver les plus grandes échelles de l'écoulement (approximativement ≥ 2160 km). La série de données ainsi obtenue, le Grand-Frère Filtré (GFF), possède un niveau de détails similaire à celui des données provenant des MCGs. On utilise alors le GFF pour piloter quatre simulations, les Petits-Frères (PFs), à l'aide du même modèle mais sur des domaines plus restreints et de tailles différentes qu'on notera PFl à PF4, et qui ont des dimensions respectives de 144x144, 120x120, 96x96 et 72x72 points de grille. Les résultats des PFs sont comparés avec le GF en cumulant les statistiques climatiques (moyenne temporelle et écart-type) sur quatre mois d'hiver, au-dessus d'une zone commune correspondant pratiquement à la province canadienne du Québec. De manière générale, les patrons (pression, vent, humidité relative et taux de précipitation) des PFs s'améliorent en corrélation spatiale par rapport au GF lorsque le domaine est réduit de 144x144 à 72x72. Cette tendance a aussi été observée pour la moyenne temporelle des fines échelles de l'écoulement. Toutefois, il a été observé que l'intensité de la variabilité transitoire (écart-type) de ces échelles pouvait être compromise par la proximité des frontières latérales par rapport à la zone d'intérêt. En effet, d'importantes sous-estimations ont été détectées, particulièrement du côté entrant du domaine, ce qui suggère l'existence d'une distance de "spin-up" se devant d'être parcourue par l'écoulement avant que celui-ci démontre des particularités de fines échelles. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Modèle régional de climat, Sensibilité à la taille du domaine, Petites échelles, Protocole du Grand-Frère.