Les effets du changement climatique à l'échelle planétaire ont déjà des répercussions sur la viticulture et ces changements engendrent des interrogations sur son fonctionnement futur. L'évaluation des modifications possibles sur le vignoble de Champagne, notamment en termes d'extrêmes thermiques dommageables pour la vigne tels que l'aléa gélif printanier et les canicules, présente donc un intérêt pour la profession. Les températures influencent en effet le bon déroulement du cycle végétatif de la vigne et une avancée des stades phénologiques est déjà observée en Champagne. Ce vignoble présente un intérêt particulier du fait de sa position septentrionale mais aussi parce que les analyses y sont facilitées par la densité du réseau météorologique en place depuis près de 20 ans. Pour établir une prospective des conditions thermiques possibles, des sorties des modèles du climat français LMD et ARPEGE-Climat (RETIC) respectivement, à 300 km et 50 km de résolution sont validées et analysées sur une période de contrôle (1950 à 2000). Ils permettent ensuite de donner un aperçu des conditions thermiques et bioclimatiques futures (2001 à 2100) selon trois scénarios de changement climatique, les plus couramment utilisés : A1B, B1 et A2. La période de contrôle permet de mettre en évidence les biais froids des distributions statistiques des sorties de modèles au printemps et en été en termes d'estimation de fréquences d'extrêmes et de choisir le modèle ARPEGE-Climat (RETIC). Les sorties thermiques de ce modèle sont alors utilisées pour évaluer l'évolution jusqu'à 2100 des conditions bioclimatiques et thermiques futures. La fréquence des extrêmes gélifs printaniers au moment du débourrement devrait diminuer en avril mais dans l'hypothèse d'un débourrement plus précoce, ces extrêmes devraient, d'après les modèles, rester importants en mars et provoqueraient un gel accru des bourgeons. Celle des extrêmes chauds estivaux devrait augmenter dans le futur. L'analyse à échelle régionale est complétée par une analyse topoclimatique grâce au modèle à méso-échelle RAMS, qui permet d'obtenir une modélisation spatiale des températures. Incluant les facteurs locaux, ce modèle produit des résultats à résolution de 200 m. Les simulations de validation sont réalisées sur les évènements extrêmes gélifs printaniers (du 4 au 9 avril) et caniculaires estivaux (du 4 au 8 août) de l'année 2003, qui a provoqué le gel des bourgeons et l'échaudage des baies et qui est considérée ici comme exceptionnelle et représentative " du climat futur ". Les températures simulées (200 m) sur la Champagne sont comparées aux températures enregistrées par des stations sur les coteaux. Le modèle reproduit bien le cycle journalier des températures avec des biais plus ou moins bien marqués notamment sur les minimas et maximas journaliers.

Au cours du XXIème siècle, une augmentation des précipitations est attendue dans les régions polaires. En Antarctique, cette augmentation devrait se traduire par une accumulation de neige sur le continent, contribuant ainsi positivement au bilan de masse de la calotte polaire, et par conséquent négativement au niveau des mers. Les modèles utilisés pour simuler le climat du XXIème siècle prédisent presque tous une augmentation des précipitations en Antarctique, mais l'importance de ce changement diffère fortement d'un modèle à l'autre. De plus, les taux de précipitation actuels reproduits par ces mêmes modèles divergent également beaucoup. Cependant, faute d'observation fiable de précipitation en Antarctique, il était jusqu'à présent difficile de vérifier la capacité des modèles à simuler ces dernières. Dans cette étude, les données issues du radar météorologique embarqué à bord du satellite CloudSat ont été utilisées afin de produire la première climatologie de précipitation en Antarctique à partir d'observations. Cette climatologie couvre la période août 2006 - avril 2011, et a montré de très bons accords avec les réanalyses ERA Interim qui n'utilisent pas d'observations issues de CloudSat. Le taux de chute de neige obtenu avec CloudSat sur le continent Antarctique jusqu'à 82°S est en moyenne de 171 mm/an. L'automne austral est la saison avec les chutes de neige les plus importantes, et le printemps austral, la saison avec les chutes de neige les plus faibles. Par ailleurs, une expérience de mesure in-situ des précipitations a été développée sur la base de Dumont d'Urville en Antarctique, des observations in-situ étant nécessaires à la validation des algorithmes de télédétection. Un système de profilage utilisant des capteurs optiques a été installé sur un mât de 73 m afin d'identifier les chutes de neige et les évènements de transport de neige par le vent. Les flux de neige mesurés à différentes hauteurs devraient être similaires lors de chute de neige sans transport de neige, alors qu'un gradient devrait apparaître si de la neige est transportée depuis la surface. Le système a été évalué et comparé aux analyses opérationnelles d'ECMWF. Enfin, les simulations des modèles de climat utilisés pour la production du rapport du GIEC ont été comparées aux observations satellites obtenues. Tous les modèles simulent un taux de chute de neige supérieur à celui observé avec CloudSat. Le changement de précipitation en Antarctique durant le XXIème siècle simulé varie de -6.0 % à +39.4 % en fonction des modèles et des scénarios d'émission de gaz à effet de serre. Les modèles de climat simulant des taux de chute de neige proches de ceux observés par satellite pour la période actuelle prédisent en moyenne un changement plus important de précipitation au cours du XXIème siècle, et donc un impact sur le niveau des mers plus conséquent. / During the 21st century, precipitation is expected to increase in polar regions. In Antarctica, this would lead to an increase in snow accumulation over the continent, which would represent a positive contribution to the ice sheet mass balance, and thus a negative contribution to sea level. Almost all the climate models predict a precipitation increase in Antarctica during the 21st century, but this change differs widely according to the models. Moreover, the current precipitation rate simulated by these models diverge greatly. However, because no reliable observation of Antarctic precipitation was available so far, it was not possible to benchmark climate models. In this study, data from the cloud profiling radar onboard CloudSat satellite have been used to produce the first climatology of Antarctic precipitation from observations. This climatology agrees well with ERA Interim reanalysis, the production of which is constrained by various in situ and satellite observations, but does not use any data from CloudSat. The mean snowfall rate from CloudSat observations is 171 mm/an over the Antarctic ice sheet, north of 82°S. The maximum snowfall rate is observed during the fall, while the minimum snowfall rate occurs in spring. Because in-situ measurements are necessary to evaluate remote sensing observations, a field experiment has been developed at Dumont d'Urville station in Antarctica for measuring precipitation. Optical sensors have been set up at different levels on a 73-meter tower in order to separate snowfall from blowing snow events. Snow flux measured at different heights should be similar during snowfall without blowing snow, whereas a gradient shoud be observed if blowing snow occurs. The system has been evaluated and compared to the ECMWF operational analysis. Finally, simulations from the climate models used for the last IPCC report have been compared to the new satellite climatology. All the models produce a higher snowfall rate than the snowfall observed with CloudSat. Precipitation increase predicted in Antarctica varies from -6.0 % to +39.4 % according to the models and the greenhouse gas emissions scenarios.Climate models which reproduce a current snowfall rate close to the snowfall rate observed by satellite predict on average a larger increase in Antarctic precipitation during the 21st century, and thus a stronger impact on sea level.

La variabilité intrasaisonnière de la mousson d'Afrique de l'Ouest se caractérise par une alternance de phases sèches et humides, dont les impacts pe uvent être dramatiques sur les populations locales. Cette variabilité met en jeu un grand nombre d'échelles spatiales et temporelles, rendant difficile sa compréhension, sa modélisation et sa prévision. Cette thèse propose quelques éclairages sur ces différentes thématiques. La dépression thermique saharienne est un acteur majeur de la mousson africaine. La caractérisation de sa variabilité intrasaisonnière a permis de mettre en évidence, à l'échelle de 15 jours, l'existence d'interactions entre les latitudes moyennes et l'Afrique de l'Ouest. Lors de son passage au-dessus de l'Atlantique et la Méditerranée, un train d'ondes de Rossby module les ventilations de la dépression thermique, et donc sa structure. Les anomalies de circulation, de température et d'humidité, ainsi induites sur le Sahel, pourraient alors expliquer une partie des fluctuations intrasaisonnières de la convection, notamment celles qui naissent sur l'est du Sahel, et qui se propagent ensuite vers l'ouest. L'état moyen et la variabilité intrasaisonnière de la mousson africaine restent un défi pour les modèles de climat, même pour la dernière génération, qui a participé à l'exercice d'intercomparaison CMIP3. La variabilité à haute fréquence de la convection est un élément particulièrement difficile à modéliser. Toutefois, la meilleure prise en compte de facteurs inhibant le développement de la convection pourrait être une étape importante pour améliorer la modélisation de la mousson et la prévision de ses fluctuations intrasaisonnières / The intraseasonal variability of the West African Monsoon is associated with persistent dry and wet periods over the Sahel, whose consequences can be dramatic for local populations. Its understanding, modelling and forecast still pose a challenge to the scientific community, notably because it involves a large number of space and timescales. The present study elaborates a few answers to these issues. The Saharan heat low is one of the major actors of the African monsoon. The characterization of its intraseasonal variability revealed the existence of interaction between the tropics and the extratropics, at the 15-day timescale. As it propagates eastward above the Atlantic and the Mediterranean, a Rossby wave train modulates the heat low ventilations, and thus its structure. Anomalous circulation, as well as temperature and humidity anomalies, can be induced over the Sahel, and lead to intraseasonal modulations of convection, especially to those, which originate from the Eastern Sahel, and which, then, propagate westward. Current state-of-the-art (CMIP3) climate models still have significant problems and display a wide range of skill in simulating the West African monsoon mean state and intraseasonal variability. The high frequency variability is particularly difficult to capture. However, the account for processes, which inhibit convection development, may be expected to be an important step in the improvement of the monsoon modelling and the forecast of its intraseasonal fluctuations

Le Sud-Est de l'Amérique du Sud (SESA) est l'une des rares régions subtropicales où les modèles climatiques du WCRP/CMIP3 projettent une augmentation significative des précipitations en été austral pour la fin du XXIème siècle, dans un scénario de réchauffement climatique. Ce signal est associé à une augmentation de la fréquence des étés identifiés comme des phases positives du mode dominant de la variabilité des précipitations dans la région, ce mode étant défini par des précipitations au-dessus (en-dessous) de la normale dans le SESA (zone de convergence d'Atlantique Sud). Cette tendance est associée à une augmentation de la température de surface de la mer (SST) dans le Pacifique équatorial. Cela est confirmé par des expériences de simulation numérique effectuées avec le système interactif two-way nesting du LMDZ4, qui montrent aussi que l'augmentation projetée des précipitations dans le SESA est associée au signal zonalement asymétrique du réchauffement des SST.

Les nuages jouent un rôle capital dans la modulation des échanges énergétiques du système terre-atmosphère. En effet, ils réfléchissent une partie du rayonnement solaire contribuant ainsi au refroidissement de l'atmosphère, et ils piègent une partie du rayonnement infrarouge terrestre contribuant ainsi au réchauffement de la terre. La compétition entre ces deux effets opposés est gouvernée par les propriétés physiques et microphysiques des nuages. En général, les nuages bas avec leurs faibles altitudes et leurs fortes épaisseurs optiques réfléchissent davantage de rayonnement solaire et ont ainsi une tendance au refroidissement. Par contre, les cirrus, à cause de leurs faibles épaisseurs optiques, sont relativement transparents au rayonnement solaire et en même temps captent une partie du rayonnement tellurique infrarouge et le réémettent vers le sol contribuant ainsi au réchauffement de l'atmosphère et de la surface terrestre. L'étude du climat et de son évolution, par les modèles de climat, nécessite une bonne prise en compte des effets radiatifs des nuages. Pour le moment, la détermination de ces effets radiatifs a été identifiée par le IPCC « Panel Intergouvernemental sur le changement de climat » comme l'une des sources principale d'incertitude sur la prédiction du climat. L'impact radiatif des cirrus (nuages des hautes altitudes) est en particulier mal pris en compte dans certains modèles à cause de l'extrême variabilité des tailles et formes des cristaux de glace de ces nuages. En effet, dans certains modèles, la distribution de taille et de forme de ces cristaux est remplacée par un diamètre effectif en supposant les cristaux de forme sphérique. Des études de Kristjansson et al. (2000) sur la sensibilité de deux modèles de climat aux hypothèses sur les propriétés microphysiques des cirrus ont montré que l'incertitude résultante sur l'effet radiatif associé à un doublement de la concentration atmosphérique en dioxyde de carbone est de l'ordre de 50%. Les résultats de telles études expliquent la grande motivation de la communauté scientifique à approfondir nos connaissances sur la microphysique des nuages. Seule l'observation des propriétés des cirrus à différentes échelles permet de comprendre, et donc de mieux représenter, leur impact sur le climat. Les observations satellitaires offrent la possibilité d'étudier les propriétés des cirrus à une échelle globale et sur de longues périodes de temps. Les sondeurs TOVS (TIROS-N Operational Vertical Sounder) embarqués à bord des plate-formes de la NOAA ont déjà démontré leur capacité de restitution des propriétés physiques (altitude, température et émissivité) et microphysiques (taille des cristaux et épaisseur en glace) des cirrus grâce à leur bonne résolution spectrale dans le domaine thermique. Le travail de ma thèse s'est inscrit dans le cadre du projet Européen CIRAMOSA (CIrrus microphysical properties and their effect on RAdiation : survey and integration into climate MOdels from a combination of SAtellite observations), une collaboration entre le Laboratoire de Météorologie Dynamique, le MetOffice à Exeter en Grande Bretagne, l'Institut pour la recherche marine à Kiel en Allemagne et le Laboratoire d'Optique Atmosphérique à Lille. Ce projet avait pour objectif d'étudier les propriétés physiques et microphysiques des cirrus à partir d'observations de différents instruments satellitales ainsi que de mesures in-situ. Des corrélations entre les propriétés microphysiques des cirrus et l'état de l'atmosphère ont pu être démontrées à échelle globale, ce qui va contribuer à l'amélioration des paramétrisations des propriétés microphysiques des cirrus dans les modèles de climat pour une meilleure évaluation de leurs effets radiatifs. Le LMD a participé à ce projet par l'élaboration d'une base climatique des propriétés physiques et microphysiques des cirrus à partir des mesures des sondeurs verticaux TOVS. Cette climatologie est la première dans son genre. La première étape de mon travail de thèse (chapitre 2) est consacrée à l'évaluation de l'altitude des nuages de la base climatique TOVS Path-B, une variable très importante pour le calcul des flux radiatifs. Pour cette évaluation j'ai combiné des données TOVS Path-B avec les observations du lidar LITE proches en temps et en espace. Cette analyse a démontré qu'en général l'altitude de nuage de TOVS Path-B correspond bien au milieu de nuage. L'accord est meilleur pour les nuages bas que pour les nuages hauts. Ces derniers sont d'une part souvent plus hétérogènes et d'autre part, dans le cas d'un nuage sous-jacent, la structure verticale du nuage haut semble différente (avec un maximum du signal de rétro-diffusion plus haut). Dans le dernier cas, en moyenne, l'altitude de nuage de TOVS Path-B est sous-estimée d'environ 700m. Dans une seconde étape (chapitre 3), je me suis intéressée à l'étude des corrélations entre les propriétés microphysiques des cirrus et l'état de l'atmosphère. Les échelles spatio-temporelles mises en jeu par les processus physiques de formation des nuages se caractérisent par un large spectre de variabilité. Or, la résolution spatiale et temporelle des modèles de climat est réduite et ne permet pas de prendre en compte une telle variabilité. C'est pourquoi il est nécessaire d'établir des paramétrisations permettant la représentation de ces propriétés microphysiques dans les modèles de climat. La conception et le développement de ces paramétrisations nécessitent une bonne compréhension des liens entre la composition microphysique des nuages et les processus de génération de ces nuages. Jusqu'à présent les corrélations entre les propriétés microphysiques des nuages et l'état de l'atmosphère ont été étudiées lors de campagnes de mesures in-situ et donc dans des zones et pour des périodes limitées. La base de données TOVS Path-B des propriétés microphysiques des cirrus, avec sa couverture globale et une durée de quatre années, nous a permis d'étudier à l'échelle du globe la cohérence de ces corrélations identifiées lors des campagnes régionales. Dans un certain nombre de modèles de climat, la taille effective des cristaux de glace ou l'épaisseur en glace des cirrus sont paramétrisées en fonction de la température de nuage. Nos analyses avec les données TOVS Path-B ont démontré que cette corrélation n'existe pas à échelle globale. Pour aller plus loin, j'ai cherché à étudier l'effet de la dynamique et la thermodynamique de l'atmosphère sur les propriétés microphysiques des cirrus. Pour cette étude, j'ai combiné les propriétés des cirrus de TOVS Path-B avec les paramètres atmosphériques des ré-analyses du ECMWF. Nos études ont démontré le rôle important que jouent les vents (horizontaux et verticaux) et l'humidité de l'air dans la modulation des propriétés microphysiques des cirrus. En général, dans les situations de forts vents verticaux et horizontaux, les cirrus ont une taille effective de cristaux de glace plutôt faible. De même, l'épaisseur en glace des cirrus baignant dans une atmosphère humide contenant de forts courants ascendants est plutôt grande. La dernière partie de ma thèse (chapitre 4) est dédiée à l'étude de la cohérence des paramétrisations des propriétés de diffusion des cristaux de glace entre le domaine thermique et le domaine solaire. Ces propriétés de diffusion dépendent de la taille effective des cristaux de glace, de la forme de ces cristaux et de la longueur d'ondes. La non-régularité des formes de cristaux de glace des cirrus fait que le traitement de la diffusion et de l'absorption du rayonnement par ces cristaux ne peut se faire que par des méthodes approchées. Nous avons déterminé les flux radiatifs au sommet de l'atmosphère en présence de cirrus à partir du modèle de transfert radiatif utilisé dans le modèle de climat britannique du MetOffice. Les propriétés physiques des cirrus provenant de TOVS Path-B, ainsi que les propriétés microphysiques établies à partir des mesures dans le domaine thermique, ont été utilisées pour calculer les albédos, qui ensuite ont été comparés aux albédos observés de ces cirrus. Ces derniers ont été déterminés par le radiomètre ScaRaB. Trois paramétrisations des propriétés de diffusion des cristaux de glace ont été testées. Ces paramétrisations ont été développées à partir de principes physiques différents ainsi que de différentes hypothèses sur la forme des cristaux de glace. En supposant des cristaux en forme de colonnes hexagonales (Fu, 1998) les observations ne sont en accord avec les calculs que pour des cirrus de faible épaisseur en glace. Les albédos calculés à partir de la paramétrisation de Baran (2003) pour des cristaux en forme d'agrégats sont bien plus en accord avec les albédos observés pour autant que le diamètre effectif des cristaux augmente avec l'épaisseur en glace des cirrus.

La variabilité intrasaisonnière de la mousson d'Afrique de l'Ouest se caractérise par une alternance de phases sèches et humides, dont les impacts pe uvent être dramatiques sur les populations locales. Cette variabilité met en jeu un grand nombre d'échelles spatiales et temporelles, rendant difficile sa compréhension, sa modélisation et sa prévision. Cette thèse propose quelques éclairages sur ces différentes thématiques. La dépression thermique saharienne est un acteur majeur de la mousson africaine. La caractérisation de sa variabilité intrasaisonnière a permis de mettre en évidence, à l'échelle de 15 jours, l'existence d'interactions entre les latitudes moyennes et l'Afrique de l'Ouest. Lors de son passage au-dessus de l'Atlantique et la Méditerranée, un train d'ondes de Rossby module les ventilations de la dépression thermique, et donc sa structure. Les anomalies de circulation, de température et d'humidité, ainsi induites sur le Sahel, pourraient alors expliquer une partie des fluctuations intrasaisonnières de la convection, notamment celles qui naissent sur l'est du Sahel, et qui se propagent ensuite vers l'ouest. L'état moyen et la variabilité intrasaisonnière de la mousson africaine restent un défi pour les modèles de climat, même pour la dernière génération, qui a participé à l'exercice d'intercomparaison CMIP3. La variabilité à haute fréquence de la convection est un élément particulièrement difficile à modéliser. Toutefois, la meilleure prise en compte de facteurs inhibant le développement de la convection pourrait être une étape importante pour améliorer la modélisation de la mousson et la prévision de ses fluctuations intrasaisonnières