Ce travail vise à améliorer notre compréhension du rôle de l'humidité et des non-linéarités sur la croissance des erreurs de prévision associées aux systèmes dépressionnaires. Afin de généraliser les méthodes d'étude de prévisibilité à des dynamiques non-linéaires de croissance d'erreurs la méthode des vecteurs singuliers non-linéaires (NLSV) est introduite: ce sont les perturbations dont l'amplification non-linéaire est maximale sur l'échéance de la prévision. Dans un premier temps, la physique des NLSVs est étudiée dans des modèles de réalisme croissant et le rôle des interactions non-linéaires entre la perturbation et l'écoulement moyen est explicité. Ensuite, l'impact de la précipitation sur la structure et la croissance des perturbations optimales dans un modèle de circulation générale est détaillé. Enfin, une méthode novatrice estimant la sensibilité de la structure ainsi que de la croissance des perturbations optimales au champ d'humidité à grande échelle est introduite.

L'étude de la variabilité climatique dans les moyennes et hautes latitudes est très complexe, principalement en raison des nombreux mécanismes physiques mis en jeu. Cette variabilité climatique résulte de deux contributions majeures : la variabilité interne associée à des processus internes au système climatique et la variabilité forcée qui est liée aux forçages externes, qui peuvent être d'origine naturelle (comme le volcanisme, les aérosols naturels) ou anthropique (GES, aérosols anthropiques). Ces forçages externes jouent un rôle important sur le climat et sa variabilité. Le défi de la recherche climatique est de comprendre leurs effets sur le climat et leurs rôles face à la variabilité interne. Cette thèse a comme objectif une meilleure compréhension des rôles respectifs de la variabilité interne et des différents forçages externes sur la variabilité passée de la circulation atmosphérique dans les deux hémisphères et de l'activité synoptique associée, ainsi que de leur évolution pour le climat futur en utilisant des ré-analyses atmosphériques et des simulations issues du modèle de climat CNRM-CM5. Nous nous sommes intéressés dans un premier temps à l'étude des changements des modes annulaires dans les hémisphères nord et sud, appelés respectivement NAM (Northern Annular Mode) et SAM (Southern Annular Mode). Nous montrons que la tendance positive observée du SAM sur la période 1960-1990 en été austral est bien reproduite par le modèle. Cependant, celle-ci est reproduite lorsque la diminution d'ozone stratosphérique et l'augmentation des gaz à effet de serre sont toutes deux prescrites au modèle, alors que certaines études suggéraient qu'elle était principalement expliquée par la seule présence de l'ozone. Nous nous sommes ensuite focalisés sur les changements de circulation \linebreak atmosphérique dans l'hémisphère nord. Ceux-ci sont plus complexes que dans l'hémisphère sud. En effet, l'augmentation des GES provoque un réchauffement global différent suivant l'altitude : maximum dans la haute troposphère tropicale ainsi qu'aux hautes latitudes en surface. Ce dernier est en réalité expliqué par la fonte de la banquise Arctique. De nombreux processus physiques et de nombreuses rétroactions sont mis en jeu et rendent la compréhension des changements compliquée. Pour cela, nous avons mis en place un protocole expérimental avec le modèle couplé CNRM-CM5 pour séparer l'effet direct des GES (réchauffement de l'atmosphère) de l'effet indirect (fonte de la banquise Arctique et rétroaction sur l'atmosphère). Cette fonte est responsable de l'augmentation des flux de chaleur entre l'océan et l'atmosphère qui perturbe ensuite la circulation atmosphérique. Nous montrons que la diminution de glace de mer Arctique pourrait être à l'origine de la réponse barocline dans l'hémisphère nord. Enfin, la dernière partie de cette thèse a fait l'objet d'une étude plus spécifique, puisque l'on s'est intéressé aux évolutions passée et future des dépressions atmosphériques nord Atlantique. De nombreuses incertitudes persistent en raison de processus complexes mettant en jeu la vapeur d'eau, le gradient méridien de température et la stabilité statique. Nous retrouvons la réponse tripolaire dans le RCP8.5, mentionnée dans le 5\up{ème} rapport du GIEC, qui correspond à une diminution dans la partie sud du domaine Atlantique nord et la mer Méditerranée, une augmentation sur les îles Britanniques et la Scandinavie et une diminution à l'est du Groenland. Nous montrons que ce signal est peu robuste sur la période dite historique en raison de la forte variabilité interne associée aux systèmes dépressionnaires. / Climate variability in mid and high latitudes is very complex due to numerous physical mecanims implied. This climate variability can be decomposed into 2 components : the internal variability associated with internal processes and the forced variability linked to the external forcings which can be natutal (volcanism, natural aerosols) or anthropogenic (greenhouse gases, anthropogenic aerosols). These external forcings play a crucial role on the climate and its variability. The challenge in the climate research is to understand their effects on the climate and their roles relatively with the internal variability. The objective of this thesis is a better understanding of the respective roles of internal variability and forced variability on the past and future atmospheric circulation in both hemispheres characterized by the annular mode and the synoptic activity associated using atmospheric reanalysis and experiments performed with the coupled climate model CNRM-CM5. First, we focus on the annular mode changes in both hemispheres, named the NAM (Northern Annular Mode) and the SAM (Southern Annular Mode). We show that the observed positive trend of the SAM in the 1960s in austral summer is well reproduced by the climate model. However, contrarily to other studies which suggest that this positive trend can be explained by only stratospheric ozone depletion, it is reproduced in the CNRM-CM5 model when the ozone depletion and greenhouse gases (GHG) increase are both prescribed. Then, we investigate the changes in the Northern Hemisphere atmospheric circulation. These are more complex than in the Southern Hemisphere. Indeed, the increase of GHG in the atmosphere causes a general global warming maximum in the tropical high troposphere and over the pole at the surface which is mainly explained by Arctic sea ice loss. So the understanding of the changes is very complex due to several physical processes and retroactions. Thus, we have conducted a protocol with the coupled climate model CNRM-CM5 in order to assess the respective role of Arctic sea ice loss and GHG increase. Arctic sea ice loss is reponsible for an increase in the heat flux between the atmosphere and the ocean which modify the atmospheric circulation. We show that Arctic sea ice loss can cause the baroclinic response in the Northern Hemisphere. Finally, the last part of the thesis is the study of past and future changes in the North Altantic storm-tracks. There are still sereval uncertainties because of the complex processes involving the water vapour, the meridional temperature gradient and the static stability. We find the tripolar response, already found by other studies, consisting of a significant decrease in the south of the basin and over the Mediterranean sea, a small increase over the British Isles, and a decrease east of the Greenland. We show that the signal in the historical period is not robust, due to large chaotic variability associated with storms.

L'objectif de cette thèse a été d'analyser la dynamique de l'interaction entre les ondes baroclines (ou rail des dépressions) et la variabilité basse fréquence de l'atmosphère aux moyennes latitudes. Deux approches distinctes ont été suivies pour étudier le rôle des déferlements d'ondes baroclines sur les courants-jets, l'une reposant sur les données réanalysées et l'autre sur des simulations numériques. La première partie de la thèse a plus précisément consisté à étudier le lien entre les déferlements d'ondes de Rossby et les quatre régimes de temps sur l'Atlantique Nord en hiver en utilisant les réanalyses ERA40. Le calcul des fréquences d'occurrence des déferlements d'ondes a montré que ceux-ci tendent généralement à renforcer les régimes sauf le blocage scandinave qui est détruit par du déferlement cyclonique au sud du Groenland. Ensuite, les précurseurs des transitions entre régimes de temps ont été identifiés. Le premier précurseur est relié à la propagation linéaire d'anomalies basse fréquence (période supérieure à 10 jours). Ce précurseur n'est pas systématique mais il survient durant la transition du régime zonal vers le blocage environ une semaine avant ce dernier où il prend la forme d'un train d'ondes quasi-stationnaire excité par des anomalies convectives dans l'Atlantique subtropical. Le second précurseur plus systématique intervient au niveau des interactions non-linéaires entre les tourbillons transitoires haute et basse fréquences et a pu être relié aux déferlements d'ondes. La formation et la destruction du blocage scandinave ont ensuite été plus particulièrement étudiées en analysant respectivement les transitions préférentielles du régime zonal au blocage et du blocage vers l'anticyclone groenlandais en lien avec les dépressions de surface et les déferlements d'ondes. Les dépressions de surface atteignent les mêmes intensités pendant la formation et la destruction du blocage mais ne suivent pas les mêmes trajectoires. Pendant la formation du blocage, les dépressions de surface ont des trajectoires rectilignes se dirigeant vers le nord de la Scandinavie et sont liées à un déferlement anticyclonique. Pendant la destruction du blocage, les trajectoires des dépressions de surface sont courbées sur l'Atlantique Nord en direction du Groenland et sont reliées à du déferlement cyclonique qui favorise ainsi l'apparition de l'anticyclone groenlandais. Notre analyse suggère que cette différence de comportement provient de la forme de l'écoulement basse fréquence qui n'est pas le même pendant la formation et la destruction du blocage et qui favorise un certain type de déferlement plutôt qu'un autre. Dans la seconde partie de la thèse, nous avons analysé le lien entre les températures de surface de la mer (SSTs) et le comportement du rail des dépressions avec le modèle de circulation générale de l'atmosphère Arpège-Climat en mode aquaplanète pour mieux comprendre les téléconnexions telles que l'Oscillation Arctique et/ou l'Oscillation Nord-Atlantique d'un point de vue idéalisé. / This thesis aims at analyzing the dynamics of the interaction between baroclinic waves (stormtrack) and the atmospheric low-frequency variability at midlatitudes. Two different approaches have been followed to study the impact of baroclinic wave breakings on jet-streams, one using reanalysis data and the other numerical simulations of a climate model. The first part of the PhD dealt with the link between Rossby wave breakings and the four weather regimes over the North Atlantic in winter using ERA40 reanalysis. The calculation of wave breaking frequencies showed that wave breakings tend to reinforce weather regimes except the Scandinavian blocking which is destroyed by cyclonic wave breaking south of Greenland. Then, precursors of weather regime transitions have been identified. The first precursor is linked to the linear propagation of low-frequency anomalies (period greater than ten days). This is not a systematic precursor but it occurs during the zonal to blocking transition about one week before this latter and is related to a quasi-stationary wave train excited by convective anomalies in the North Atlantic subtropics. The systematic second precursor is related to non-linear transient eddy interactions and has been linked to Rossby wave breakings. The link between the surface cyclones, Rossby wave breakings and the formation and decay of the Scandinavian blocking has been more precisely studied through the preferential transitions from the zonal weather regime to the blocking and from the blocking to the Greenland anticyclone. During the formation and decay of the blocking, surface cyclones reach the same intensities but do not follow the same trajectories. During the blocking formation, surface cyclones follow straight trajectories toward the north of Scandinavia and are linked to an anticyclonic wave breaking. Whereas during the blocking decay, surface cyclones trajectories are curved over the North Atlantic toward Greenland and are linked to a cyclonic wave breaking favouring the Greenland anticyclone formation. Our study suggests that this difference of behavior comes from the shape of the low-frequency flow which is not the same during the formation and the decay of the blocking and which can favour a particular type of wave breaking rather than another. The second part dealt with the link between sea surface temperatures (SSTs) and the storm-track in the atmospheric general circulation model Arpège-Climat in aquaplanet mode to better understand teleconnections such as the Arctic Oscillation and/or the North Atlantic Oscillation from an idealized point of view. We performed a sensitivity analysis of the eddy-driven jet variability to various stationary SST profiles.

En utilisant un nouveau schéma automatique, les trajectoires des dépressions et des anticyclones synoptiques des moyennes latitudes du Pacifique Nord ont été construites à partir des données de la pression au niveau de la mer journalière (PNM) sur la période 1950-2001 Sur l'Est du Pacifique Nord, la force des anticyclones diminue et leur fréquence devient plus variable, pendant que les dépressions s'intensifient et présentent des trajectoires plus méridionales à partir du milieu des années 70. Ainsi, l'activité dépressionnaire et anticyclonique hivernales sont significativement anti-corrélées. Ces changements de l'activité transitoire se traduisent par des PNM plus faibles au niveau de la dépression des Aléoutiennes, en accord avec la phase positive de l'Oscillation Nord Pacifique, induisant des anomalies positives de la température de surface océanique (TSO) le long de la côte ouest de l'Amérique du Nord et des anomalies négatives de la TSO sur le centre du bassin. Ces conditions sont associées à des températures plus chaudes et plus de précipitations depuis l'Alaska jusqu'au Mexique, ainsi que sur le Sud-Ouest des Etats-Unis. Selon les simulations du Modèle global Couplé du Centre National de Recherches Météorologiques version 3, la fréquence hivernale des dépressions pourrait être significativement réduite dans un contexte de forte augmentation des gaz à effet de serre. Cette modification pourrait être favorable aux conditions anticycloniques sur l'Est, induisant une pondération du réchauffement anthropique le long de la côte ouest nord-américaine et une réduction / augmentation des précipitations sur les régions se situant au sud et au nord de 45°N respectivement