Les océans couvrant plus de 70 % de la surface de la Terre, les aérosols marins sont une des composantes les plus importantes en terme de concentration atmosphérique. De part leur large gamme de taille, ils interagissent à la fois dans les courtes et grandes longueurs d’onde et impactent ainsi le bilan radiatif à la surface et au sommet de l’atmosphère. Cependant, l’amplitude de cet impact climatique est encore soumise à de nombreuses incertitudes. Actuellement en modélisation, il existe très peu de cas d’études centrés sur les aérosols marins au niveau régional, la plupart étant réalisés au niveau global. Dans ce cadre et afin d’améliorer la connaissance des propriétés des aérosols marins et leurs effets radiatifs dans le bassin méditerranéen, le projet ChArMEx qui s’est déroulé pendant les étés 2013 et 2014, a permis la mise en place de plusieurs sites de mesures, notamment a Ersa (Cap Corse), ainsi que des observations aéroportées. Les observations réalisées à Ersa ont permis de repérer dans une première étude une période (22-26 juin) influencée majoritairement par les aérosols marins lors de l’été 2013 et de caractériser leurs propriétés physico-chimique, optiques et radiatives. De plus, l’impact de ces aérosols marins a pu être comparé à l’influence d’autres types d’aérosols présents dans le bassin méditerranéen (poussières désertiques, aérosols anthropiques et issus de feux de biomasse) également observés pendant la campagne de mesure. L’étude combinée de la composition chimique des aérosols marins et des rétro-trajectoires issues du modèle FLEXPART a permis également de mettre en évidence les multiples origines des aérosols marins, avec des émissions locales et des aérosols âgés associés à du transport longue distance. En se basant sur cette analyse, le modèle MesoNH a été utilisé pour étudier dans un premier temps les émissions, le transport et la concentration atmosphèrique des aérosols marins à l’échelle régionale, sur cette période d'étude. Pour cela, un nouveau schéma d’émission basé sur une paramétrisation récente (Ovadnevaite et al., 2014) a été implémenté dans le modèle. Celle-ci dépend, en plus de la vitesse du vent à la surface, de l’ etat de la mer (représenté par la hauteur des vagues, la température de surface de l’eau ainsi que la salinité). Une première simulation tri-dimensionnelle comprenant trois domaines imbriqués a donc été réalisée sur un domaine méditerranéen du 12 au 27 juin 2013. Les observations réalisées pendant la campagne de mesure ChArMEx-ADRIMED ont permis d’évaluer la capacité du modèle à simuler la concentration en masse et en nombre des aérosols marins ainsi que leur distribution granulométrique. Un deuxième cas d’étude, se déroulant pendant un cas de mistral/tramontane dans le golfe du Lion en juillet 2014, a également été simulé afin d’évaluer dans un second temps les effets radiatifs directs à la surface et au sommet de l’atmosphère (dans les courtes et grandes longueurs d’ondes). Cette simulation est supportée par des observations aéroportées réalisées dans le cadre de la campagne SAFMED+ ainsi que par des observations satellitaires et de télédétection (réseau AERONET). Ce travail indique également un forçage radiatif direct négatif des aérosols marins à la surface, qui est compensé, pour une très faible part, par le forçage radiatif positif exercé dans les grandes longueurs d’ondes. / As the oceans cover more than 70 % of the surface area of the Earth, marine aerosols compose one the most important aerosol types in term of atmospheric burden. As their size distribution comprises submicron and supermicron ranges, marine aerosol interacts with both shortwave and longwave radiation, leading to a radiative impact at the surface, within the atmosphere, and at the top of the atmosphere. However, the magnitude of its climatic impact is still subject to many uncertainties. Most model studies of marine aerosol emissions and their radiative impacts have focused on the global scale rather than the regional scale. In this context and in order to improve the knowledge of aerosol properties in the Mediterranean, and in particular, their impact on regional climate, the ChArMEx-ADRIMED field campaign took place in the Western Mediterranean Basin during the summer 2013. Several ground-based stations were operated throughout the Mediterranean Basin, including a station in Ersa (Corsica). During the ChArMEx-ADRIMED observation period, a major influence of marine aerosols was detected (22-26 June), allowing the characterization of their physical, chemical, optical and radiative properties. Moreover, the radiative impact of marine aerosols was compared to the influence of other types of aerosols usually present in the Mediterranean Basin (desert dust, anthropogenic and biomass burning aerosols) also observed during the field campaign. The combined study of the chemical composition of marine aerosols and backward trajectories using the FLEXPART model was used to characterize aging and origins of marine aerosols observed at the Ersa Station. For this work, the regional scale MesoNH model has been modified to study the radiative effect of marine aerosols on the Mediterranean Basin using a new marine aerosol emission scheme based on a recent parameterization (Ovadnevaite et al., 2014). This parameterization depends not only on the wind speed but also on the sea state (represented by wave height, sea surface temperature and the surface water salinity). A three-dimensional simulation including three nested domains was then conducted on a Mediterranean domain from 12 to 27 June 2013. The observations made during the ChArMEx-ADRIMED field campaign were used to evaluate this parameterization, via comparisons of the modeled and measured mass and number concentration of marine aerosols, as well as their size distribution. Another case study was conducted to assess the shortwave and longwave direct radiative effect, at the surface and top of the atmosphere, of marine aerosol during a period of strong winds (> 20 m s-1; Mistral) in the Golf of Lion (Western Mediterranean Basin). This simulation was conducted in conjunction with airborne observations (during the SAFMED+ field campaign), satellite and remote sensing (AERONET network) observations. Furthermore, this work indicate a negative direct radiative effect at the surface, only partly counterbalanced by a positive forcing in the longwave radiation.

Les effets du changement climatique sur les événements extrêmes sont difficiles à estimer car ces phénomènes présentent une large variabilité, et par conséquent il est délicat d'identifier des tendances significatives compte tenu de l'absence de longues séries de données instrumentales. Dans cette étude, nous présentons un enregistrement de ces tempêtes extrêmes sur la côte Méditerranéenne française au cours des 7000 dernières années à partir de carottes sédimentaires prélevées dans un système lagunaire du Golfe du Lion. L'utilisation d'une approche multi-traceur à haute résolution avec des analyses granulométriques, faunistiques, géochimiques (XRF), en minéraux argileux associées à des données chronologiques de radiocarbone et de 210Pb, 137Cs ; nous a permis de reconstruire l'histoire, au cours de l'Holocène, des dépôts lagunaires en relation avec l'activité des tempêtes. Bien que les paramètres morphologiques de cet environnement lagunaire aient changé durant l'Holocène, ne permettant pas de comparer ces événements au cours du temps en terme d'intensité, nous enregistrons six périodes d'augmentation de l'activité des tempêtes datées à 6200, 5500, 4400, 3200, 1500 an cal B.P. et durant le Petit Age Glaciaire (de 450 à 100 an cal B.P.). Ces changements de l'activité hydrodynamique côtière, en antiphase avec les périodes d'aridifications en Méditerranée de l'Ouest, sont corrélées avec celles observées dans le bassin Nord Atlantique et correspondent aux événements de refroidissement Holocène. L'augmentation de l'activité des tempêtes dans la cette région de la Méditerranée durant les périodes froides, associée à une diminution des températures au pôle Nord, est probablement liée à l'augmentation du gradient thermique qui, par interaction barocline, favorise les cycles d'évolution des tempêtes dans toute l'Europe et la Méditerranée de l'Ouest. Cette étude démontre ainsi que la température dans la région Nord Atlantique influence l'activité des tempêtes extrêmes et donc du climat Méditerranéen à l'échelle de l'Holocène.

Un modèle d'exportation d'azote a été développé pour fournir un outil opérationnel d'estimation des masses produite en contexte méditerranéen. Le modèle, dénommé POL, est de type conceptuel distribué. Il repose sur un découpage du bassin en unités de production (les sous-bassins versants) dont le flux est contrôlé par un paramètre F et en unités de transport (les biefs de rivières) qui véhiculent les flux produits sur les sous-bassins. La dynamique des flux d'azote dans les biefs est contrôlée par un paramètre T. Les 2 paramètres F et T du modèle POL sont définis globalement sur le bassin. Les flux générés sur les sous-bassins versants dépendent également du stock d'azote potentiellement mobilisable lors d'un épisode de pluie. On suppose que cette grandeur conceptuelle est liée à l'occupation du sol et aux pratiques culturales. Le modèle peut être utilisé en mode événementiel ou en mode continu. <br />La sensibilité des réponses du modèle événementiel aux valeurs des paramètres est tout d'abord analysée sur un bassin élémentaire. Le modèle POL est ensuite appliqué sur 4 bassins versants d'une cinquantaine de km² situés dans l'Hérault (France). <br />Les résultats obtenus après la phase de calage et de vérification montrent la capacité du modèle événementiel à reproduire les flux d'azote générés lors des épisodes de crue. Le modèle utilisé en continu fournit une estimation des exportations d'azote avec un degré d'incertitude acceptable pour un premier diagnostic des apports annuels des bassins.

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

L'objectif général de cette thèse est de contribuer à l'avancement de la connaissance de la variabilité du Courant Nord Méditerranéen (CN) et de ses interactions avec la dynamique côtière, en s'appuyant principalement sur une configuration numérique réaliste à haute résolution de la façade méditerranéenne française, basée sur le modèle de circulation océanique NEMO et nommée GLAZUR64.La validation de cette configuration avec toutes les observations disponibles sur la période d'étude (CTD, gliders, ARGO, radar HF, ADCP, altimétrie et SST satellite) a permis d'évaluer le réalisme des simulations et leur paramétrisation, et de montrer l'apport de la haute-résolution par rapport aux configurations de bassin au 1/12° utilisées aux frontières de GLAZUR64.Enfin, l'utilisation d'un forçage océanique opérationnel a permis d'utiliser une simulation en complément des données d'une campagne en mer, pour l'étude ciblée d'un tourbillon anticyclonique associé à un méandre du CN au large de Toulon, en avril 2011 [Guihou et al., 2013].

L'objectif de cette thèse est de réaliser un bilan des aérosols atmosphériques sur le bassin méditerranéen et de caractériser la qualité de l'air de cette région en se focalisant sur des indicateurs d'exposition à long terme. Basés sur des simulations du modèle de chimie-transport MOCAGE, (MOdèle de Chimie Atmosphérique à Grande Échelle), les travaux portent dans un premier temps sur le développement d'un module permettant de prendre en compte les aérosols inorganiques secondaires. Ce module a été validé à différentes échelles et avec différents types de données. Le modèle MOCAGE a ensuite servi à simuler la composition chimique de l'atmosphère sur le bassin méditerranéen pour l'année 2013. Nous avons ainsi pu montrer que le bassin méditerranéen est une région exportatrice d'aérosols. Nous avons également étudié l'impact des émissions anthropiques maritimes et côtières sur le bilan des aérosols et la qualité de l'air dans la région méditerranéenne. / The objective of this thesis are to establish a budget of the atmospheric aerosols on the Mediterranean basin and to characterize air quality over this region based on long term exposition indicators. Based on simulations made with the chemical transport model MOCAGE (Modèle de Chimie Atmosphérique à Grande Échelle), the first part of this work is devoted to the development of a secondary inorganic aerosols module. This module was validated at different scales using a large variety of types of data. The MOCAGE model has then been used to simulate the chemical composition on the Mediterranean basin over the year 2013. We were able to show that the Mediterranean area is an export zone for aerosols. We also studied the impact of marine and coastal anthropogenic emissions on the aerosol budget and the air quality in the basin.

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

La région Méditerranéenne a été identifiée comme l'une des régions les plus vulnérables aux changements climatiques et anthropiques et constitue un des « hot-spots » mondiaux de crise de l'eau. Dans un tel contexte, les questions relatives à la gestion des ressources en eau se posent de manière accrue. Pour y faire face, des approches de modélisation intégrée associant l'évaluation de la disponibilité des ressources en eau et des demandes en eau sont proposées. Une chaîne méthodologique a été mise en place à l'échelle régionale, considérant des scénarios hydrologiques et d'usages de l'eau sous contraintes climatiques et incluant les objectifs de la Stratégie Méditerranéenne pour le Développement Durable en termes d'efficience hydraulique. Cette première approche permet d'évaluer la situation du stress hydrique en Méditerranée et son évolution à l'horizon 2050. Actuellement, le Sud et l'Est de la Méditerranée doivent faire face à un stress hydrique sévère, voire à une pénurie. D'ici 2050, les ressources en eau disponibles pourraient diminuer de l'ordre de 30 à 50 % tandis que les prélèvements devraient doubler. Le stress hydrique devrait ainsi augmenter sur l'ensemble du pourtour méditerranéen. Néanmoins, si les objectifs d'efficience sont atteints, les prélèvements en eau pourraient se stabiliser, voire même diminuer (10–40 %) dans certains bassins Nord méditerranéens. Le stress hydrique pourrait alors rester faible sur la rive Nord et être tempéré dans certains bassins de la rive Est. Une deuxième chaîne méthodologique a été développée à l'échelle du bassin de l'Ebre (Espagne) afin d'appréhender la satisfaction des demandes en eau environnementales, domestiques et agricoles. Le bassin a été divisé en 9 sous-bassins versants afin de considérer les différentes contraintes hydro-climatiques et l'influence des barrages principaux sur les régimes hydrologiques, auxquels ont été associés 11 sites de demande. Cette approche permet de définir les pressions actuelles sur le bassin et d'évaluer l'évolution de la capacité à satisfaire les demandes en eau sous contrainte de scénarios climatique, d'évolution démographique et d'expansion des surfaces irriguées à moyen terme. Actuellement, les demandes en eau sur le bassin versant de l'Ebre sont satisfaites. A l'horizon 2050, les écoulements printaniers et estivaux pourraient diminuer de 30 à 35 % en différents points du bassin. Les demandes en eau environnementales et domestiques devraient toujours être satisfaites, néanmoins, la capacité à satisfaire les besoins agricoles pourrait ne pas toujours être assurée au cours de la période estivale. Ces deux démarches établissent une confrontation entre l'offre et la demande en eau à différentes échelles et fournissent des indicateurs sur la capacité à satisfaire les demandes en eau sous contraintes climatiques et anthropiques. Elles constituent ainsi des approches originales pour évaluer la disponibilité actuelle et future des ressources en eau, identifier les régions où des tensions d'usages risquent de se produire et mieux orienter les stratégies d'adaptation. Dans un contexte de changements globaux, ce type d'exercice est fondamental pour soutenir les politiques de gestion de l'eau et encourage la co-construction de scénarios entre usagers, décisionnaires et scientifiques. / The Mediterranean basin has been identified as one of the world's most vulnerable regions to climatic and anthropogenic changes and constitutes a water crisis' hot spot. Under such context, questions on water resources management arise. Integrated methodologies taking into account evolution in water resources availability and water demands are thus generated. A first methodology accounting for the Mediterranean basin specific conditions is developed to assess the current and future water stress state of this region. The medium-term evolution of water stress is investigated using climatic scenarios and a water-use scenario based on efficiency improvements following the recommendations of the Mediterranean Strategy for Sustainable Development. Currently, the southern and eastern rims are experiencing high to severe water stress. By the 2050 horizon, a 30–50% decline in freshwater resources is simulated over most of the Mediterranean basin and total water withdrawals are projected to double. Water stress could hence increase over the whole Mediterranean basin. If progresses in efficiency are reached, total water withdrawals would stabilize over the Mediterranean basin and even make them decrease (10–40%) in many northern catchments. Water stress could thus be tempered in some eastern catchments and kept to low on the northern rim. A second integrated water resources modelling framework was developed over the Ebro catchment (Spain) in order to evaluate water allocation for the domestic and agricultural sector as well as for environmental purposes. The catchment was divided into 9 sub-catchments to which 11 demand sites were attributed, in order to take into account the different hydro-climatic regimes and the influence of dams on hydrological regimes. This method defines current pressures applied to water resources and evaluates the evolution of water allocation by the medium term under climatic and water-use scenarios considering population growth and irrigated areas expansion. Currently, water demands are satisfied over the Ebro catchment. In 2050, water resources are projected to decline by 30-35% during the spring and summer seasons. Environmental and domestic water demands should still be satisfied but agricultural water demands could have to face severe water shortages during the summer season. These two modeling frameworks establish a dialogue between water resources and water demands at different space scales and give indexes on the capacity to satisfy water demands under climatic and anthropogenic scenarios. These studies provide original approaches to evaluate water resources current and future availability, to identify the most vulnerable regions to water use conflicts and to better orientate adaptation strategies. In a context of climatic and anthropogenic changes, such frameworks are a first step to better sustain water management policies and to support the co-construction of scenarios between users, policy-makers and scientists.

Les Polluants Organiques Persistants (POPs), largement présents dans l'environnement via les stations d'épuration des eaux usées (STEP) et l'activité anthropique de l'Homme constituent une source de contamination du milieu aquatique. L'évaluation du risque environnemental de ces composés implique leur analyse chimique quantitative et spécifique et l'estimation de leur origine vis-à-vis des zones contaminées. Cette étude consiste en une analyse qualitative et quantitative, à l'échelle internationale, pour une trentaine de composés organiques représentatifs en termes d'utilisation et pertinents en termes d'impact environnemental. L'approche mise en œuvre intègre une étape de détection et une étape d'évaluation de la toxicité des composés ciblés afin d'estimer leur niveau de risque écotoxicologique. La détection de ces composés dans les matrices sédiments a nécessité la mise au point d'une méthode d'extraction Soxhlet et le développement d'une méthode de détection par GC-MS. La validation de cette méthode a permis de mener à bien une campagne d'échantillonnage de 54 stations répartis sur 4 bassins versants (l'Arc, l'Huveaune, la Durance, l'étang de Berre et le Oued Medjerda), afin d'évaluer le niveau de contamination par les POPs. Ce travail se propose d'effectuer un échantillonnage orienté (avant et après des ouvrages majeurs tels que STEP, Industries …) de sédiments des différents cours d'eaux de la zone Méditerranée et d'étudier à la fois les taux de contamination ainsi que l'origine des POPs. Sur le plan régional et international, ce sujet répond à une demande sociétale forte. / Persistent Organic Pollutants (POPs), largely present in the environment via sewage wastewater (WWTP) and anthropogenic activities are a source of contamination of the aquatic environment. The environmental risk assessment of these compounds involves their specific and quantitative chemical analysis and estimation of their origin next to the contaminated areas. This study was a qualitative and quantitative analysis, internationally, for about thirty organic compounds representative in terms of use and relevant in terms of environmental impact. The approach used incorporates a detection step and a step for evaluating the toxicity of the compounds targeted to estimate their level of ecological risk. The detection of these compounds in the sediment matrix required the development of a Soxhlet extraction method and the development of a method of detection by GC-MS. Validation of this method allowed to carry out a sampling campaign of 54 stations spread over four watersheds (Arc, Huveaune, the Durance, the Etang de Berre and Oued Medjerda), to assess the level of contamination by POPs. This work intends to carry out a guided sampling (before and after major works such as STEP, industries ...) sediments of different rivers in the Mediterranean area and study both infection rates and the origin of POPs. At the regional and international levels, the subject responds to a strong societal demand. Indeed, it is essential to characterize the quality of streams and to estimate their contamination. This work has allowed a consistent inventory level of contamination. The PAH analysis is done by gas chromatography-mass spectrometry (GC / MS).

La circulation du golfe du Lion est influencée par un forçage atmosphérique intense et le Courant Nord Méditerranéen (CNM). Une configuration au 1/16° a été utilisée pour modéliser la dynamique complexe de cette région, mais ne permet pas de modéliser correctement le CNM. Nous avons utilisé la méthode d’assimilation du filtre SEEK afin de combiner l’information contenue dans ce modèle et celle provenant d’observations synthétiques altimétriques (de type SARAL-AltiKa) et in situ, extraites d’une configuration réaliste du golfe du Lion au 1/64°. Afin d’évaluer la qualité des résultats, des diagnostics statistiques et physiques ont été établis et témoignent d’une bonne qualité de l’expérience. On a ainsi montré une amélioration des caractéristiques du CNM en surface et en profondeur, de son activité mésoéchelle et permis l’intrusion de branches de recirculation sur le plateau. Une meilleure représentation de ce courant a permis d’améliorer la quantité des échanges côte-large de même que la caractéristique des eaux du plateau, ce qui a permis la formation d’eaux denses hivernales, leur convection puis leur cascading le long du talus. L’assimilation a aussi amélioré les caractéristiques du panache du Rhône. On a ainsi montré que l’assimilation de nouvelles formes d’observations dans les systèmes opérationnels permettra de contrôler des processus plus fins et proches des côtes, non contrôlés par les systèmes d’observations actuels. / Ocean circulation in the Gulf of Lions is both influenced by intense atmospheric forcings and the North Mediterranean Current (NMC). A 1/16◦ configuration of the Gulf of Lions has been used to represent the complex dynamics of this area but does not allow a correct modeling of the NMC. We have used the SEEK filter data assimilation method to combine the information contained in the model and the one coming from synthetic in situ and altimetric observations (from SARAL-AltiKa altimeter). Those observations have been extracted from a realist 1/64◦ configuration of the Gulf of Lions. To assess the quality of results, statistical and physical diagnostics have been developed and show a good quality of the experiment. Thanks to a better representation of this current at the surface and at depth as well as its mesoscale activity, we have managed to improve the quantity of cross shelf exchanges. Consequently, we have managed to improve shelf water characteristics, which have thus allowed the formation of dense waters in winter, their convection and cascading over the shelf break. Rhône river plume characteristics have also been improved thanks to data assimilation. We have finally shown that assimilating those new kinds of observations in operational systems should allow the control of small scale processes closed to the coast that are not controlled with present observational systems