Les variations climatiques en Afrique de l'Ouest ont un impact parfois catastrophique, particuliérement au Sahel ou les populations sont exposées aux aléas des ressources en eau. Cette thèse s'inscrit dans la recherche des différents modes de variabilités atmosphèrique et de leurs conséquences sur les processus qui générent les pluies, afin de mieux apprehender le climat et ses variabilités dans cette région. <br />Ce travail porte sur la part de la variabilité des précipitations au Sahel qui peut être expliquée par la variabilité atmosphérique. L'objectif principal est de comprendre comment les perturbations du champ de vent à 700 hPa - les ondes d'est africaines (AEWs) - agissent sur la convectionqui est elle meme à l'origine des précipitations. <br />Après avoir exposé les connaissances actuelles de la climatologie en Afrique de l'Ouest, et expliqué la méthodologie développée pour étudier les ondes d'est, la variabilité des précipitations est étudiée à différentes échelles. La modulation de la convection et des précipitations par les ondes est ensuite traitée et permet de distinguer des secteurs propices aux fortes précipitations, ou au contraire inhibiteurs. L'impact des ondes sur la dynamique et la thermodynamique atmosphérique est également abordé, en particulier dans les basses couches atmosphériques. Un autre aspect original de cette thèse est d'étudier comment les ondes d'est s'insèrent dans la variabilité interannuelle et intra saisonnière du flux de mousson. Après avoir mis en évidence des phases actives et inactives du flux de mousson, le comportement des ondes, de la convection et des précipitations est discriminé en fonction des phases de l'onde.

Le Soleil est la source d'énergie essentielle de notre planète, et la connaissance du rayonnement solaire devient nécessaire dans un nombre croissant de domaines, où les utilisateurs font face à un manque de données. Les mesures disponibles dans le réseau météorologique mondial fournissent des valeurs du rayonnement solaire reçu au sol ; cependant elles sont ponctuelles et dispersées. Il est alors nécessaire de recourir à des interpolations ou extrapolations, techniques d'autant moins précises que la distance à la station augmente. Dans ce contexte, nous proposons d'une part une méthode d'estimation du rayonnement solaire reçu au sol à partir d'images satellitales, et d'autre part des outils pour permettre à l'utilisateur d'accéder de manière plus efficace à l'information sur le rayonnement solaire par l'intermédiaire d'Internet. Parmi les méthodes existantes, la méthode Heliosat a été choisie au regard des critères de qualité, de robustesse, et d'exploitation, qualités qui doivent être renforcées dans l'objectif de créer une climatologie du rayonnement solaire. Nous proposons donc d'améliorer la méthode Heliosat en 1) introduisant une méthode automatique d'étalonnage, 2) utilisant un modèle ciel clair plus précis, 3) établissant une nouvelle relation entre les indices de ciel clair et d'ennuagement, 4) évaluant l'albédo des différentes surfaces à partir des images étalonnées. Forte de ces améliorations, la méthode " Heliosat-2 " constitue alors une base solide pour l'élaboration d'une base de données climatiques du rayonnement solaire, devant être disséminées au travers d'Internet.

Le rayonnement solaire a des impacts biologiques, physiologiques, climatiques, économiques, politiques, sociaux, culturels, métaphysiques, etc. L'étude du gisement solaire à l'échelle du globe terrestre nécessite notamment l'utilisation des moyens de la télédétection spatiale. Pour évaluer et quantifier les effets du soleil (vus de l'espace), il est nécessaire de concevoir des traitements d'images satellitaires des plus complexes aux plus astucieux. Dans cette thèse, nous analysons les étapes du traitement d'images visibles de Météosat utilisé dans l'évaluation du gisement solaire. Initialement, nous présentons les résultats de la cartographie du rayonnement solaire global journalier en Afrique de l'Ouest. Ces résultats sont obtenus au moyen d'une méthode opérationnelle développée au Centre de Télédétection et d'Analyse des Milieux Naturels (CTAMN) de l'Ecole des Mines de Paris : la méthode HELIOSAT. Ces résultats, confrontés aux mesures effectuées au sol, nous ont permis de valider cette méthode et d'avoir confiance dans son avenir opérationnel. Mais des améliorations sont nécessaires. Aussi, par la suite, on étudie certains modèles atmosphériques qui permettent de corriger les influences de l'atmosphère et de la position relative du soleil, pour obtenir des images de réflectance relative (albédo relatif). On a déterminé un moyen d'obtenir une image de réflectance des sols s'appuyant sur une image composite sans nuage ni ombre. Pour évaluer le gisement solaire par la méthode que nous avons développée, il faut estimer l'ennuagement présent en chaque point d'image. Dans cette étape, un indice d'ennuagement sensible à la transparence des nuages est déterminé.

La mousson africaine est un phénomène météorologique saisonnier apportant jusqu'à 90% des précipitations annuelles sur l'Afrique de l'Ouest. Du fait d'une diminution observée de l'intensité de ce phénomène, une campagne internationale multidisciplinaire d'analyse de la mousson africaine a été mise en place, avec comme point culminant, une période d'observations intensives durant l'été 2006. Les éléments constitutifs de la mousson apportant le plus de précipitations étant les lignes de grains, nous nous sommes intéressés à l'étude des bilans d'eau et d'énergie de ces systèmes convectifs. Ce travail consiste en une étude du cas de ligne de grains du 27-29 juillet 2006, effectuée via la modélisation mésoéchelle permise par le modèle Méso-NH (Météo-France/CNRS). Il a permis de documenter l'environnement de cette ligne de grains et son impact énergétique et hydrique. Les tests de sensibilités effectués montrent la forte sensibilité des champs simulés et des bilans à la configuration et aux champs initiaux du modèle.

Les phénomènes météorologiques d'échelle synoptique peuvent s'expliquer par les interactions non linéaires entre structures d'amplitude finie, et leur environnement. Ce cadre d'étude, qui ne repose pas sur les hypothèses difficilement justifiables des théories d'instabilité, nécessite de pouvoir représenter de façon objective ces structures cohérentes, nommées ainsi par analogie avec les écoulements turbulents.<br />L'objectif principal de cette thèse est de bâtir et d'évaluer un algorithme d'extraction des structures cohérentes d'échelle synoptique. Elles sont recherchées dans le seul champ de tourbillon potentiel, qui est inversible dans l'atmosphère sèche. L'attribution des autres champs dynamiques à la structure est ainsi rendue possible après inversion. L'extraction repose sur la projection des champs bidimensionnels sur un ensemble de bases d'ondelettes orthogonales. Une base optimale est associée à chaque structure ; pour éviter la redondance entre les structures, une technique d'orthogonalisation a été mise au point. La comparaison de l'extraction avec une méthode non objective est possible grâce à un nouveau critère de cohérence temporelle, qui repose sur l'indépendance de l'évolution de l'environnement.<br />L'extraction est appliquée à plusieurs phénomènes d'échelle synoptique : un précurseur d'altitude haute-fréquence, un rapide de courant-jet et des champs d'altitude associés à des épisodes précipitants en Méditerranée. Ces études montrent la pertinence dynamique des structures extraites et dégagent des perspectives d'utilisation de l'algorithme. On aborde aussi sa possible application à la mise en place d'une prévision d'ensemble à courte échéance des tempêtes.

Cette thèse porte sur l'émergence des sciences de l'atmosphère comme discipline scientifique au Canada dans l'après-guerre. La période 1945-1975 est marquée non seulement par une croissance rapide de la recherche et de la formation, mais aussi par la constitution d'un corps de chercheurs canadiens, un groupe social qui se démarque des premiers chercheurs dispersés, peu organisés et souvent ne disposant pas de leurs propres institutions scientifiques. Nous insistons sur la politique scientifique et les institutions dominantes dont l'évolution donne lieu à des moyens formels pour la promotion de la discipline. C'est ainsi que les élites scientifiques taillent une place pour les sciences de l'atmosphère à l'intérieur des institutions bureaucratiques fédérales, à travers les universités canadiennes, et au sein du champ scientifique mondial. La recherche en sciences de l'atmosphère se démarque alors des travaux routiniers en météorologie et en climatologie dans le laboratoire gouvernemental, tandis que, dans le milieu universitaire, elle cesse d'être sous la tutelle de la physique et de la géographie. En même temps, la communauté des chercheurs en sciences de l'atmosphère se distance de leurs collègues américains et britanniques, et leurs réseaux se renforcent à l'échelle régionale et à l'échelle nationale. Nous faisons ressortir les dynamiques des institutions dominantes en analysant notamment la correspondance et les rapports produits par les élites scientifiques, en faisant usage de méthodes bibliométriques et en examinant des documents scientifiques produits durant cette époque. Notre approche synchronique nous permet de traiter plusieurs aspects du développement des sciences de l'atmosphère en milieu universitaire et en milieu gouvernemental, notamment à travers les interactions avec les milieux politiques, scientifiques et militaires. Nous montrons comment les circonstances locales et les agencements d'intérêts politiques et scientifiques permettent aux sciences de l'atmosphère de se développer à plusieurs endroits au pays. La discipline s'adapte en fonction des priorités socioéconomiques régionales et nationales, des ressources mises en disponibilité par les militaires, ainsi que de la popularité croissante des enjeux environnementaux. En replaçant la production des connaissances dans des espaces disciplinaires, institutionnels et géographiques précis, cette thèse fait la lumière sur certains volets de l'évolution des sciences de l'atmosphère durant la guerre froide que l'historiographie de cette discipline avait peu abordés. Par exemple, bien que les chercheurs de ce domaine au Canada conservent une certaine autonomie vis-à-vis les institutions militaires canadiennes et américaines, ils en tirent de puissants bénéfices, directs et indirects. En décrivant la science gouvernementale en termes de « services de recherche » et en insistant sur les élites qui circulent à travers différents milieux institutionnels, notre étude nous permet de saisir les modalités de développement de ce secteur d'activités scientifiques, en analysant notamment les tensions entre recherche fondamentale et recherche appliquée ainsi que les négociations entre la communauté scientifique et la sphère bureaucratique. Cette analyse nous permet ainsi de faire de la science gouvernementale un élément central de l'histoire de sciences au Canada dans l'après-guerre. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Canada, histoire des sciences, météorologie, climatologie, sciences de l'atmosphère, gouvernement fédéral, universités

La tique Ixodes ricinus est un vecteur de maladies chez l’animal et chez l’Homme d’importance majeure en Europe. Le réchauffement climatique modifiera probablement son profil temporel d’activité. Pour l’évaluation présente et future du risque de piqûre par I. ricinus, des modèles météo-sensibles de prédiction de l’activité sont nécessaires. Dans cette thèse un modèle météo-sensible de régression linéaire généralisé a été ajusté sur des séries temporelles de captures de nymphes, acquises antérieurement à la thèse, pour prédire l’activité saisonnière des nymphes. Depuis ce modèle des profils saisonniers ont été simulés sous scénario de changement climatique. Un modèle de survie météo-sensible a été ajusté à des durées de survie chez des adultes femelles I. ricinus dans un cadre bayésien. Simultanément à la modélisation, nous avons investigué les profils d’activité saisonnière des nymphes I. ricinus sur plusieurs observatoires répartis dans les climats de France métropolitaine par des captures mensuelles en continu d’avril 2014 à juillet 2016. Le comportement d’I. ricinus sous des conditions informatives pour le changement climatique a été investigué. Nos observations et nos simulations confortent l’hypothèse d’une augmentation progressive de l’activité d’I. ricinus sur la saison d’hiver, avec des pics d’activité plus précoces. Une activité modérée a été mise en évidence sous des vagues de chaleur à certains moments du jour, suggérant l’importance de l’échelle infra-journalière en été. Le modèle de survie a reproduit avec succès l’effet très défavorable des conditions sèches sur la survie des femelles. Notre travail de thèse souligne l’importance i) d’acquérir des observations au plus proche des futures conditions saisonnières, ii) de renforcer la sensibilité des modèles de dynamique de populations à la disponibilité en eau dans le milieu des tiques, iii) d’étudier les effets de la météorologie vécue sur la population à l’échelle inter‑annuelle. / The tick species Ixodes ricinus is a vector of major concern for animal and public health in Europe. Climate change will probably modify its activity time patterns. In the present and future bite risk assessment, weather-based models are required to predict tick activity. In this work a weather-based generalized linear regression model was fitted to tick count time series to predict the seasonal activity in I. ricinus nymphs. Using this model we simulated activity time series with climate change weather time series as inputs. A weather-based model was fitted to survival durations in I. ricinus females using a Bayesian estimation method. Simultaneously to modeling, we settled several observatories located in the climate areas encountered in mainland France to investigate the seasonal activity patterns of I. ricinus populations. Monthly tick collection was performed in routine from April 2014 to July 2016. I. ricinus behavior was investigated under conditions which are informative to assess the impact of climate change on activity. Both our observed and simulated results reinforce the hypothesis that activity periods will spread over winter under climate change. In summer season, activity was moderately high at some moments of the day, which underlined that the intra-day scale should be considered when assessing summer activity. The survival model successfully simulated the critical effect of dryness on female survival. In this work we highlighted the need i) to acquire observations under present conditions which are close to the ones projected under climate change, ii) to strengthen the sensitivity of population dynamic models to water availability in the close environment of ticks, and iii) to investigate the effects of the weather conditions undergone by ticks on their population dynamics at the inter-annual scale.

Les agrosystèmes sont soumis à de fortes hétérogénéités spatiales et temporelles, notamment du fait des pratiques agricoles. Les modèles de surface, qui servent à quantifier les échanges d'eau et d'énergie entre le sol, la végétation et la basse atmosphère, dits flux hydrométéorologiques, utilisent la plupart du temps des résolutions spatiales trop larges et une description des pratiques agricoles trop simple pour caractériser ces hétérogénéités, faute d'information spatialisée fiable et à fréquence temporelle suffisante pour paramétrer les simulations. Pourtant, réussir à simuler de manière plus réaliste les agrosystèmes à l'échelle du paysage, comme un bassin versant par exemple, est d'importance cruciale que ce soit pour gérer la répartition des ressources en eau ou évaluer les interactions entre pratiques agricoles et évolution climatique. La télédétection à haute résolution spatiale et temporelle, à l'image de la mission spatiale Sentinel-2 de l'ESA, permet de fournir des informations sur la surface terrestre à des résolutions inégalées (10 m, 5 jours) et sur l'ensemble du globe. Cette thèse visait donc à exploiter ce type de données dans un modèle de surface, le modèle SURFEX-ISBA développé par le CNRM, afin d'améliorer la représentation des pratiques agricoles et évaluer son impact sur les flux hydrométéorologiques à l'échelle du paysage. Le premier volet de la thèse avait pour objectif de représenter l'hétérogénéité spatio-temporelle des cultures, du fait des choix des dates de semis et de récolte ainsi que des rotations de culture, dans le modèle. Pour ce faire, j'ai exploité les produits issus des données du satellite optique Formosat-2 (8m, acquisitions programmées), sous la forme de cartes d'occupation des sols et de cartes multi-temporelles d'indice de surface foliaire (LAI) afin de simuler un agrosystème du Sud-Ouest de la France sur une zone de 576 km2. Afin de simuler de telles étendues en exploitant la haute résolution des produits satellite tout en limitant le temps de calcul, une approche de simulation par parcelle a été mise en place. / Agricultural practices generate strong spatial and temporal heterogeneities of the vegetation in agrosystems. Land Surface Models (LSMs), which simulate water and energy fluxes between soil, vegetation and atmosphere, use coarse spatial resolutions and very simplified agricultural practices representations. Therefore, they cannot characterize such heterogeneities. However, simulating agrosystems in a realistic way is of great interest to manage water resources at landscape scale, like a river basin, or study the interactions between climate evolution and agriculture. High resolution remote sensing, like the ESA's Sentinel-2 space mission, allows monitoring the Earth surface globally with unprecedented spatio-temporal resolution of 10 meters and 5 days. This Ph. D. thesis aimed to exploit such data in the SURFEX-ISBA LSM, developed by the CNRM, to represent agricultural practices in the hydrometeorological fluxes estimation at landscape scale. The first part of the thesis aimed at representing the spatial and temporal heterogeneities of the vegetation due to the choice of sewing and harvesting dates and crop rotations in the model. I used multi-temporal Leaf Area Index and annual land cover maps derived from the Formosat-2 remote sensing date (8m, tasking acquisitions). Simulations were performed on a 576 km2 agricultural plain in southwestern France. In order to keep the interest of high resolution while saving computation time, a plot scale simulation approach was used.

La production d'énergie renouvelable et la consommation d'électricité dépendent largement des conditions météorologiques : température, précipitations, vent, rayonnement solaire... Ainsi, pour réaliser des études d'impact sur l'équilibre offre-demande, on peut utiliser un générateur de temps, c'est-à-dire un modèle permettant de simuler rapidement de longues séries de variables météorologiques réalistes, au pas de temps journalier. L'une des approches possibles pour atteindre cet objectif utilise les modèles de Markov caché : l'évolution des variables à modéliser est supposée dépendre d'une variable latente que l'on peut interpréter comme un type de temps. En adoptant cette approche, nous proposons dans cette thèse un modèle permettant de simuler simultanément la température, la vitesse du vent et les précipitations, en tenant compte des non-stationnarités qui caractérisent les variables météorologiques. D'autre part, nous nous intéressons à certaines propriétés théoriques des modèles de Markov caché cyclo-stationnaires : nous donnons des conditions simples pour assurer leur identifiabilité et la consistance forte de l'estimateur du maximum de vraisemblance. On montre aussi cette propriété de l'EMV pour des modèles de Markov caché incluant des tendances de long terme sous forme polynomiale. / Renewable energy production and electricity consumption both depend heavily on weather: temperature, precipitations, wind, solar radiation... Thus, making impact studies on the supply/demand equilibrium may require a weather generator, that is a model capable of quickly simulating long, realistic times series of weather variables, at the daily time step. To this aim, one of the possible approaches is using hidden Markov models : we assume that the evolution of the weather variables are governed by a latent variable that can be interpreted as a weather type. Using this approach, we propose a model able to simulate simultaneously temperature, wind speed and precipitations, accounting for the specific non-stationarities of weather variables. Besides, we study some theoretical properties of cyclo-stationary hidden Markov models : we provide simple conditions of identifiability and we show the strong consistency of the maximum likelihood estimator. We also show this property of the MLE for hidden Markov models including long-term polynomial trends.

L'effet des facteurs environnementaux physiques – conditions météorologiques sur la survenue d'une pré-éclampsie est une préoccupation relativement récente, mais diversement évalués par des études de méthodologie très hétérogène qui ne peuvent ainsi faire le tri des hypothèses physio-pathologiques. Comme le rappelait un rapport d'experts, les difficultés méthodologiques sont nombreuses, parmi lesquelles: la mesure de l’exposition et la détermination des fenêtres d'exposition, l’emploi d’une modélisation statistique adéquate, la prise en compte de l’ensemble des facteurs de confusion (facteurs de risque connus de morbidité chez les femmes enceintes ou prise en compte de la saisonnalité des naissances). Par ailleurs, l'intrication des facteurs physiques avec les facteurs sociaux, individuels ou de contexte vient compliquer l'interprétation. Aucune des études publiées jusqu'ici dans le domaine de la pré-éclampsie ne prend simultanément en compte ces 3 catégories de facteurs. Enfin, il n'existe guère d'étude française répondant à l'ensemble de ces questions alors que les modalités de suivi de la grossesse jouent un rôle important et dépendent étroitement de l'organisation socio-sanitaire du pays. Avec l’expérience d'un an dans la préparation du projet, nous proposons d'évaluer ces effets conjoints en étudiant un registre avec plus de 100 000 femmes enceintes /an suivies dans le réseau de maternités du département des Yvelines qui rassemble des territoires urbains et ruraux. / During two last decades, the effect of meteorological factors on human health, especially pregnancy, has become a growing public health concern. However, the influence of meteorological and environmental factors on the occurrence of pre-eclampsia still has to be precisely determined. The main objective of this work is to determine the influence of meteorological conditions at various time during pregnancy (date of conception, near date of conception) on the occurrence of pre-eclampsia in a large French registry of pregnant women and to determine at which moment are the women more susceptible.