Les bassins de rétention sans plan d'eau permanent (bassins "secs") sont largement répandus pour diminuer les aspects négatifs du ruissellement urbain sur le milieu récepteur. À l'heure actuelle, de tels bassins sont conçus avec un contrôle statique, ce qui signifie que leur fonctionnement est seulement basé sur une limitation de leur débit maximal de sortie. Le Contrôle en Temps Réel (CTR) du degré d'ouverture de leur vanne de sortie permettrait d'améliorer leurs performances.
 Le travail présenté ici a notamment permis le développement de scénarios de CTR d'un bassin de rétention sec situé à l'exutoire d'une petite zone urbaine (3.5 km2) sur le territoire de la Ville de Québec, au Canada. Le ruissellement et sa concentration en Matières En Suspension (MES) ont été simulés par le modèle SWMM5, dans lequel la formulation du lessivage de surface a été améliorée dans le cadre de ce travail. Les stratégies de gestion en temps réel proposées utilisent comme information les données du réseau pluviométrique, la mesure de la hauteur d'eau dans le bassin de rétention et, dans certains des scénarios, des prévisions météorologiques. 
 Les prévisions de pluie peuvent en effet s'avérer intéressantes pour une large gamme d'utilisateurs, comme ceux impliqués dans la prévention des crues, et la gestion de l'eau de manière générale, puisqu'elles permettent une certaine anticipation du comportement du système. Les prévisions de pluie d'ensemble fournissent de plus une description explicite et dynamique de l'incertitude liée à la prévision. Cependant, de telles prévisions sont à l'heure actuelle disponibles à des échelles trop grandes pour être directement compatibles avec des modèles hydrologiques mis en œuvre sur de petits bassins versants. 
 Cette thèse de doctorat s'est donc de plus penchée sur la désagrégation spatiale du système de prévision d'ensemble Canadien, afin de rendre les prévisions d'ensemble de pluie plus appropriées à l'échelle du petit bassin urbain pour lequel des règles de CTR du bassin de rétention ont été élaborées. Pour cela, diverses variantes de la méthode statistique de désagrégation spatiale proposée par Perica et Foufoula-Georgiou (1996b) ont été comparées, pour faire passer les prévisions d'ensemble globales de pluie (émises par Environnement Canada) d'une résolution de 100 km par 70 km à celle de 6 km par 4 km. Cette technique permet d'augmenter la variance des hauteurs de pluie prévues à l'intérieur d'un pixel original lors de la désagrégation, tout en préservant la valeur moyenne initialement prévue pour la pluie sur ce pixel. Ces prévisions d'ensemble de pluie ont été émises par le système de prévision d'ensemble global Canadien, dans sa forme opérationnelle en 2009. La méthode statistique de Skaugen (2002) a également été appliquée à ces prévisions, et a mené à la production de prévisions d'ensemble ayant une résolution de 10 km par 7 km. Pour comparaison, des méthodes plus simples comme celle de l'interpolation bilinéaire, ont aussi été appliquées. Cette dernière permet le raffinement des prévisions globales de pluie sans augmenter la variance des hauteurs de pluie lors du processus de raffinement spatial.
 Les produits météorologiques désagrégés ont été évalués d'un point de vue météorologique et hydrologique, en utilisant différents scores et diagrammes. Pour l'évaluation météorologique, neuf jours présentant d'importants évènements de précipitation ont été utilisés pour comparer les hauteurs de pluie prévues à celles observées par le réseau de pluviomètres de la ville de Québec.
 Des prévisions hydrologiques d'ensemble avec un pas de temps compris entre 3 et 24 heures ont été mises en œuvre sur une période de 3 mois, avec les prévisions d'ensemble originales et celles issues de la désagrégation. Cette chaîne de prévision hydro-météorologique opérationnelle a été élaborée en utilisant les modèles GR4J et SWMM5. Ces modèles ont été mis en œuvre sur 4 bassins situés dans la région de Québec, avec une taille comprise entre 5 et 350 km2. L'évaluation hydrologique s'est basée sur la comparaison des débits prévus avec ceux observés.
 Les résultats obtenus avec la méthode de Skaugen (2002) ne se sont pas révélés aussi intéressants que ceux basés sur la technique de Perica et Foufoula-Georgiou (1996b). Avec cette dernière, les conclusions principales de ce travail de thèse sont: 1) la qualité globale des prévisions est préservée lors du processus de raffinement, et 2) les produits désagrégés par cette méthode qui permet d'augmenter la variance des hauteurs de pluie présentent une qualité similaire à celle des produits désagrégés par la méthode de l'interpolation bilinéaire. En revanche, la variance et la dispersion des différents membres des prévisions d'ensemble se sont avérées largement améliorées pour les produits désagrégés par la méthode de Perica et Foufoula-Georgiou (1996b), ce qui représente un avantage considérable comparativement à la méthode de l'interpolation bilinéaire.
 Ces résultats ont été confirmés du point de vue hydrologique. Par conséquent, il est avancé à l'issue de ces travaux de doctorat que la méthode de désagrégation statistique de Perica and Foufoula-Georgiou (1996b) représente une manière intéressante pour réduire le problème d'incompatibilité existant entre les résolutions des modèles météorologiques globaux et le haut degré de précision parfois requis dans la représentation spatiale des champs de précipitation par les modèles hydrologiques semi-distribués et par ceux montés sur de petits bassins versants. 
 Les stratégies de CTR mises en place pour le bassin de rétention sec étudié ici ont permis une amélioration significative de ses performances - l'efficacité d'enlèvement des MES est passée de 46 à 90% - tout en restant sécuritaire (du point de vue du risque de débordement) et en prenant en compte une contrainte liée au risque de prolifération de moustiques. Cependant, les prévisions de pluie désagrégées ne se sont pas révélées supérieures aux prévisions originales du modèle d'ensemble global Canadien, dans ce contexte spécifique de gestion en temps réel. Les différentes prévisions considérées ont en effet mené à des résultats similaires pour les performances de ce bassin de rétention soumis à des règles de CTR.
 / Dry detention ponds are commonly implemented to mitigate the impacts of urban runoff on receiving water bodies. They currently rely on static control through a fixed limitation of their maximum outflow rate. Real-Time Control (RTC) allows optimizing their performance by manipulation of an outlet valve.
 This thesis developed several enhanced RTC scenarios of a dry detention pond located at the outlet of a small (3.5 km2) urban catchment near Québec City, Canada. The catchment's runoff quantity and Total Suspended Solids' (TSS) concentration were simulated by the SWMM5 model with an improved wash-off formulation. The control procedures rely on rain gauge data, on measures of the pond's water height, and, in some of the RTC scenarios, on rainfall forecasts.
 Rainfall forecasts are indeed valuable to a wide variety of end users in the field of flood risk assessment and water management, as they allow some anticipation of the behaviour of the system under consideration. Ensemble rainfall forecasts thus provide an explicit and dynamic assessment of the uncertainty in the forecast. However, for hydrological forecasting, their low resolution currently limits their use to large watersheds. 
 Therefore, this thesis explores rendering the Canadian Ensemble Prediction System's (EPS's) rainfall forecasts more appropriate for hydrological modeling of such a small urban catchment as the one studied here. To bridge this spatial gap, various implementations of the spatial statistical downscaling method proposed by Perica and Foufoula-Georgiou (1996b) were compared, bringing Environment Canada's (EC's) global Ensemble Rainfall Forecasts (ERFs) from a 100-km by 70-km resolution down to 6-km by 4-km, while increasing each pixel's rainfall variance and preserving its original mean. These ERFs were issued by the Canadian Global Ensemble Prediction System (GEPS) in its 2009 operational version. The statistical downscaling method of Skaugen (2002) was also applied to these ERFs, producing rainfall fields with a resolution of 10 km by 7 km. For comparison purposes, simpler methods were also implemented such as the bi-linear interpolation, which disaggregates global forecasts without modifying their variance.
 The downscaled meteorological products were evaluated, using different scores and diagrams, from both a meteorological and a hydrological view points. The rainfall forecasts were compared against nine days (presenting strong precipitation events) of observed values taken from Québec City's rain gauge database. 
 Ensemble Hydrologic Forecasts (EHFs) with a time step of 3 and 24 hours were performed over a 3-month period for the original and disaggregated rainfall forecasts. This hydro-meteorological operational forecasting chain was conducted using hydrological models GR4J, a modified version of GR4J, and SWMM5. These models were implemented on four catchments ranging between 5 and 350 km2, and located in the Québec City region. The hydrological evaluation was based on the comparison of forecasted flows to the observed ones.
 Results obtained with the method of Skaugen (2002) were not as interesting as those based on the technique of Perica and Foufoula-Georgiou (1996b). This is due to the fact that with the method of Skaugen (2002), the final rainfall field corresponds to the average of ten downscaled fields, what tends to dampen the variance added through the disaggregation process. For the technique of Perica and Foufoula-Georgiou (1996b), the most important conclusions are: 1) the overall quality of the forecasts is preserved during the disaggregation procedure and 2) the disaggregated products using the variance-enhancing method are of similar quality than bi-linear interpolation products. However, variance and dispersion of the different members are, of course, much improved for the variance-enhanced products, compared to the bi-linear interpolation, which is a decisive advantage. 
 These results were confirmed by the hydrological evaluation. The disaggregation technique of Perica and Foufoula-Georgiou (1996b) hence represents an interesting way of bridging the gap between the resolution of meteorological models and the high degree of spatial precision sometimes required (in the precipitation representation) by semi-distributed hydrological models and by models built on small watersheds.
 RTC strategies of the studied dry pond allowed for a substantial improvement of the performance compared to those with its current static control– the TSS removal efficiency increased from 46 to about 90% - while remaining safe and taking a mosquito-breeding risk constraint into account. However, the downscaled rainfall forecasts were not superior to the original ones (issued by the Canadian GEPS) in this context, as they led to the same performance for the RTC scenarios relying on rainfall forecasts.


Le climat du bassin méditerranéen est caractérise par un fort impact du déficit hydrique sur la croissance de la végétation. Dans ces régions fréquemment affectées par les sècheresses, l'humidité des sols est un facteur essentiel des processus hydrologiques et de la croissance de la végétation. Des études climatiques récentes ont montré qu'il est probable que le changement climatique accroitra encore l'impact des sècheresses et la pression sur les ressources en eau. Le bassin méditerranéen peut donc être qualifié de "point chaud" du changement climatique. Dans ce contexte, il est important de construire des synergies entre les systèmes d'observation satellitaire et in situ des surfaces continentales et les plateformes de modélisation. Cette thèse a été réalisée en lien avec le programme international HyMEX (Hydrological cycle in the Mediterranean Experiment), consacré à l'étude du cycle de l'eau et de la prévisibilité des risques hydro- étéorologiques en Méditerranée, notamment des sècheresses. Une climatologie des variables biogéophysiques (humidité du sol, indice foliaire de la végétation ou LAI -Leaf Area Index-) et des débits des cours d'eau a été construite sur la période 1991-2008, sur une zone couvrant l'Europe, le Moyen-Orient et l'Afrique du Nord. Pour cela, des simulations du modèle du système sol-plante ISBA-A-gs et du modèle hydrologique TRIP ont été réalisées. ISBA-A-gs simule la photosynthèse et son lien avec la conductance stomatique, ainsi que le cycle annuel de la biomasse foliaire. ISBA-A-gs a été pilote par les variables atmosphériques de surface de la réanalyse ERA-Interim du CEPMMT. Le ruissellement et le drainage simules par ISBA-A-gs ont été convertis en débits des rivières par TRIP. Dans un premier temps, la qualité des forçages ERA-Interim a été évaluée sur la France a l'aide de mesures in situ du rayonnement solaire incident et de la réanalyse SAFRAN, qui fournit des précipitations fondées sur un réseau dense de mesures in situ. Des biais ont été mis en évidence sur les deux variables : ERA-Interim sous-estime les précipitations (-27%) et surestime le rayonnement solaire incident (+7%). A l'échelle de l'Europe et du bassin méditerranéen, les biais des précipitations ERA-Interim ont été corriges sur une base mensuelle à partir des précipitations du GPCC. L'impact du biais des précipitations sur la simulation des débits par TRIP a été étudié, ainsi que l'impact des différences des variables biophysiques produites par plusieurs versions du modèle ISBA (dont ISBA-A-gs). L'utilisation d'ISBA-A-gs permet une meilleure représentation des débits d'étiage et l'emploi de données satellitaires pour contraindre le LAI améliore les débits au printemps. Le volume et les variations inter annuelles des débits d'eau douce vers la Méditerranée sont en accord avec les estimations pré-existantes. Enfin, les simulations d'humidité du sol et du LAI ont été comparées aux données in situ et satellitaires disponibles durant la période 1991-2008 sur l'Europe et le bassin méditerranéen, ainsi qu'au modèle ORCHIDEE de l'IPSL. Un bon accord est observe entre (1) l'humidité superficielle du sol simulée par ISBA-A-gs et tirée des observations satellitaires micro-ondes par le projet ESA-CCI Soil Moisture, et (2) la variabilité inter annuelle du LAI simule et le LAI produit par le projet GEOLAND2. Les variations inter annuelles de l'humidité du sol et du LAI sont corrélées lors de périodes clés, mais sur des zones plus étendues avec le modèle qu'avec les observations satellitaires. / The climate of the Mediterranean basin is characterized by marked impact of the soil water deficit on vegetation growth. In these areas, frequently affected by droughts, soil moisture is a key variable for understanding the hydrological processes and the vegetation growth. Recent climatic studies have shown that climate change will probably increase the impact of droughts together with the demand for water resources in this area. As such, the Mediterranean basin is recognized as a "hot spot" of the climate change. In this context, it is important to build synergies between in situ and satellite remote sensing observing systems of the continental areas and modeling platforms. This PhD thesis was performed in the framework of the international HyMEX (Hydrological cycle in the Mediterranean EXperiment) project, which is focused on the water cycle and on the prediction of hydrometeorological hazards (and particularly droughts) over the Mediterranean basin. A climatology of the biophysical variables (soil moisture, vegetation biomass or LAI –Leaf Area Index-) and river discharges was built for the 1991-2008 period over Europe, the Middle East and North Africa. In particular, simulations were performed by the ISBA-A-gs land surface model and by the TRIP hydrological model. ISBA-A-gs simulates photosynthesis and its link with the stomatal conductance, together with the leaf biomass annual cycle. ISBA-A-gs was driven by surface atmospheric variables derived from the ECMWF ERA-Interim reanalysis. Unoff and deep drainage simulated by ISBAA- gs were converted into river discharges by the TRIP model. First, the ERA-Interim forcing was evaluated over the France domain. This evaluation was performed using in situ measurements of the incoming solar radiation (ISR) and with the SAFRAN reanalysis, which provides precipitation data based on a dense network of in situ observations. Biases were evidenced for the two variables: ERA-Interim underestimates precipitation (-27%) and overestimates ISR (+7%). At the scale of Europe and of the Mediterranean basin, ERA-Interim precipitation biases were rescaled on a monthly basis using the GPCC precipitation data. The impact of precipitation biases on the river discharges simulated by TRIP was assessed, as well as the impact of the differences in biophysical variables values generated by several versions of ISBA (including ISBA-A- s). It was shown that the use of ISBA-A-gs permits a better representation of the river discharges at low water levels. The use of satellite-derived product to force the LAI improves river discharge simulations at springtime. The river freshwater inputs (volume and interannual variability) to the Mediterranean Sea are close to pre-existent estimates. Finally, the soil moisture and LAI simulations were compared to in situ and satellite observations, available over the 1991- 2008 period over Europe and the Mediterranean basin, as well as to the IPSL ORCHIDEE model. A good agreement is observed between (1) the surface soil moisture simulated by ISBA-A-gs and derived from satellite microwave observations by the ESA-CCI Soil Moisture project, and (2) the interannual variability of the simulated LAI and of the LAI produced by the GEOLAND2 project. The interannual soil moisture and LAI variations are correlated during key period, but over larger areas with the model than with the remote sensing data

De par sa géométrie et sa situation géographique (2°N-13°N – 8°E-16°E ; ouverture sur l’océan Atlantique), le Cameroun offre l’avantage de proposer un ensemble représentatif des climats régionaux rencontrés en Afrique tropicale. La diminution des cumuls de précipitations enregistrée dans la région pendant la seconde moitié du XXe siècle, est associée à la récurrence de périodes anormalement sèches, essentiellement au cœur de la saison des pluies. Ces conditions ont amplifié la dégradation du couvert végétal au travers ses contraintes socioéconomiques et démographiques (déforestation, extension des surfaces d’activité). Les conséquences souvent dommageables de la variabilité climatique en général, et des sécheresses en particulier, sur les hommes et leurs activités suscitent l’intérêt de développer des études pour mieux comprendre comment le climat et les pressions naturelles et environnementales interagissent localement. Ainsi, l’objectif de cette thèse est de diagnostiquer la variabilité multiéchelle (saisonnière, interannuelle, intra-saisonnière, synoptique) des précipitations et les relations qu’elle entretient avec le couvert végétal au sens large qui, à ces latitudes, est associé directement ou non, à la dynamique d’occupation et d’utilisation du sol, particulièrement sur la période 1951-2002. A partir de données de précipitations observées (CRU/ponctuelles), les modes spatiaux de la variabilité ont été définis aux échelles annuelles et interannuelles, par Analyses en Composante Principale (ACP) et la Classification Ascendante Hiérarchique (CAH). Ces méthodes de classifications ont permis de discriminer cinq zones climatiques, différentes les unes des autres par l’intensité des cumuls et la saisonnalité (unimodal/bimodal). Pour chaque zone, l’attention a été portée sur les paramètres intrasaisonniers qui modulent la variabilité annuelle telle que, les séquences sèches (nombre, longueur, périodes d’occurrence) et les variations des dates de début et de fin des périodes végétatives. La répartition du couvert végétal dans l’espace et dans le temps (1982-2002) a été étudiée, en utilisant des méthodes de classification non supervisée (ISODATA) sur les données de NDVI (Normalized Difference Vegetation index) à 8km de résolution. Enfin, des méthodes statistiques et de télédétection ont permis d’évaluer l’impact des facteurs pluviométriques et anthropogéniques (croissance démographique et utilisation du sol) sur la dynamique du couvert végétal en utilisant des bases de données à plus fine résolution (NDVI/1Km ; Global Land Cover (GLC 2000/1Km)). Ces dernières investigations ont été menées dans le Nord-Cameroun (6°N-13°N – 11°E-16°E), qui est la région la plus sensible des points de vue climatique, économique et environnemental. / Due to its shape and location (2°N-13°N – 8°E-16°E; proximity of the Atlantic Ocean), Cameroon is characterized by a panel of cross-regional climate encountered widely in tropical Africa. Over the region, the decrease rainfall during the second half of the last century has been shown to be associated with stronger recurrence of drier periods, specifically in the core of the rainy season. These conditions have favored the degradation of vegetation cover, driven by socioeconomic and demographic constraints. The substantial impacts on human activities and local society highlight the need to better understand how climate and environmental dynamics do interact locally. The aim of this study is to diagnose multi-scale rainfall variability and its relationship with vegetation cover (natural and/or grown), which is directly or indirectly associated to the land-cover and land-use dynamics at these latitudes. Using observed rainfall data (Climatic Research Unit/punctual), the spatial modes of rainfall variability at annual and intraseasonal scales are defined through Principal Component Analysis (PCA) and Agglomerative Hierarchical Clustering (AHC). These regionalizations lead to the discretisation of 5 climatic zones, distinguished from each other, by both the amount of rainfall and seasonality (unimodal / bimodal). New intraseasonal dry spells statistics (number, length, period of occurrence) are produced as well as dates of onset and end of the vegetative seasons by sub-regions. Using unsupervised classification methods (such as ISODATA) in Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) data at a 8km spatial resolution, vegetation cover spatiotemporal distribution and typology were produced. Then, based on a concomitant use of statistical and GIS approaches, higher resolutions of NDVI (SPOT-1Km) and Global Land-cover data (GLC 2000), allowed to further evaluate both the pluviometric and anthropogenic factors (demography, land use) influencing vegetation dynamics. Analysis were carried out in Northern Cameroon (6°N-13°N – 11°E-16°E), which is the most sensitive region with regards to climatic and environmental variability, that could lead to important socio-economic thread locally.

Dans le cadre de cette thèse, nous nous intéressons à l'étude des décisions des ménages ruraux Ougandais en termes de gestion des risques climatiques. Dans un premier temps, nous testons l'impact des transferts des fonds des migrants sur le niveau de spécialisation des cultures agricoles ainsi que le niveau de risque du portefeuille des cultures des ménages contraints par l'accès aux marchés du crédit et de l'assurance. Nous complétons cette première analyse avec une étude sur la capacité des transferts des migrants à encourager les ménages à utiliser des inputs plus risqués tels que les engrais. Dans un troisième temps, nous explorons si le morcellement des terres peut réduire les effets négatifs de la variabilité des précipitations sur les rendements des cultures agricoles. Le dernier objectif de cette thèse est d'analyser l'impact de l'inégalité d'accès à l'eau sur l'intensité et l'incidence des manifestations et des émeutes au sein d'un pays. Le point central et commun aux différents chapitres est la variabilité climatique : quelles sont les conséquences pour les ménages agricoles ; comment les ménages peuvent se protéger contre les aléas climatiques et quelles sont les implications pour la disponibilité de l'eau et les conflits. Telles sont les questions que la thèse vise à aborder à travers une approche micro-économétrique. / The dissertation provides evidence on the agricultural decisions of rural Ugandan households in terms of risk management against weather variability. First, I study the impact of remittances sent by migrants on households' degree of crop specialization and crop riskiness, as remittances may, to some extent, relieve credit and risk constraints. I complete the first objective with a second analysis that explores if remittances can motivate households to use riskier inputs - fertilizers. Third, I examine whether land fragmentation can reduce the negative impacts of rainfall variability on farmers' crop yields. In the final chapter, I test whether inequality in access to water for consumption may increase the incidence and the intensity of low-level conflicts. The central and common theme of the different chapters is weather variability: what are the consequences for agricultural households, how can households protect themselves against weather fluctuations and what are the implications for water availability and social conflict. Those are the questions that the dissertation aims at addressing with a micro-level empirical approach.

La variabilité climatique et les événements extrêmes associés comme le phénomène El Niño (ENSO) représentent les épisodes les plus difficiles à gérer dans le Versant Pacifique Péruvien. En outre, une préoccupation croissante sur la disponibilité en eau a lieu depuis les années 1970s. Une documentation approfondie des régimes de précipitations et des débits est un élément clé de tout plan de gestion de l'eau et notre recherche est la première étude sur la variabilité hydroclimatique à l'échelle mensuelle et annuelle dans la zone d'étude au cours des quatre dernières décennies (période 1970-2010). Tout d'abord, un traitement de base de données exhaustif a été effectué pour surmonter certaines limitations et notamment celles liées aux conditions géographiques des Andes. Deuxièmement, le régime des précipitations a été étudié avec une approche de régionalisation liée aux conditions de séries temporelles non stationnaires. Une méthode mixte associant la méthode des clusters k-means et la méthode du vecteur régional a été proposée. Neuf régions ont été identifiées avec des régimes homogènes de précipitation tenant compte d'un gradient latitudinal et altitudinal. Un bilan hydroclimatique a ensuite été fait à l'échelle de bassin versant, abordant la problématique du climat et de l'anthropisation et leurs influences potentielles sur les séries chronologiques hydroclimatiques. Le cadre théorique de Budyko-Zhang a été utilisé et a permis d'identifier 11 des 26 bassins versants à faible influence climatique et anthropique (i.e. des conditions quasi-naturelles). Le régime des débits a ensuite été étudié pour ces conditions et une extension pour l'ensemble des 49 bassins versants de la zone d'étude a été effectuée. Un modèle hydrologique régional est proposé via deux modèles conceptuels agrégés à l'échelle de temps annuelle et mensuelle (GR1A et GR2M respectivement). Un test d'échantillonnage différentiel (DSST) a été utilisé pour améliorer la robustesse de la modélisation par rapport aux conditions climatiques contrastées entre années sèches et humides dans les conditions semi-arides. Enfin, la portée de la thèse couvre (1) une revisite de la relation ENSO/précipitation en prenant en compte les neuf régions identifiées et de plusieurs indices ENSO afin de discriminer l'influence des deux types d'El Niño (El Niño du Pacifique Est EP et du Pacifique Central CP) ainsi que l'influence de la variabilité atmosphérique (i.e. l'oscillation Madden et Julian) et aux conditions océaniques régionales. La méthodologie proposée consiste en l'analyse des composantes principales, ondelettes et de cohérence, les corrélations glissantes et l'analyse de la covariance spatiale afin de mettre en évidence la modulation décennale significative du phénomène ENSO ainsi que sa croissance à partir des années 2000s où la relation ENSO/précipitations s'inverse par rapport à la décennie précédente. Les deux modes de co-variabilité dominants entre la température superficielle de la mer dans le Pacifique tropical et les neuf régions montrent des caractéristiques dominantes de l'influence de l'ENSO: une augmentation des précipitations sur les régions aval dans le nord pendant El Niño EP et une diminution des précipitations sur les régions amont le long des Andes lors des événements El Niño CP. (2) La sensibilité au changement hydroclimatique est explorée via l'analyse des tendances hydroclimatiques comme indicateurs de changement de l'hydroclimatologie régionale. Les résultats montrent un réchauffement important dans la zone d'étude avec une moyenne de 0,2°C par décennie. En outre, les changements dans les trajectoires dans l'espace de Budyko (i.e. direction et amplitude) ont révélé que six bassins versants étaient sensibles à la variabilité du climat (i.e. probablement avec une grande sensibilité au climat futur) et aux changements d'utilisation du sol et où les précipitations et la température sont les facteurs prépondérants du changement de ces environnements. / Climate variability and associated extreme events as El Niño phenomenon (ENSO) represent the most difficult episodes to deal with along the Peruvian Pacific slope and coast. In addition, a growing water concern takes place since seventies. In-depth documentation of precipitation and runoff regimes becomes a key part in any water management plan and this research offers the first hydroclimatic variability study at monthly and annual time step in the study area over the last four decades (1970?2010 period). First, an exhaustive database treatment was carried out overcoming some limitations due to Andean geographical conditions. Second, precipitation regime was studied with a regionalization approach under non-stationary time-series conditions. A combined process consisting in k-means clustering and regional vector methodology was proposed. Nine regions were identified with a homogeneous precipitation regime following a latitudinal and altitudinal gradient. Third, a hydroclimatic balance is done at catchment-scale addressing the issue of climate and anthropogenization and their potential influences over hydroclimatic time series. The theoretical Budyko-Zhang framework was used and allowed identifying 11 out of 26 catchments with both low climate and anthropogenization influence (i.e. unimpaired conditions). This hypothesis was verified with the use of land use and land cover remote sensing products as MODIS and LBA imagery. Then, runoff regime was studied under unimpaired conditions and an extension over 49 catchments of the Peruvian Pacific drainage was done. A regional runoff model is proposed via two conceptual lumped models at annual and monthly time scale (GR1A and GR2M respectively). A Differential Split-Sample Test (DSST) was used to cope with modelling robustness over contrasted climate conditions as dry and wet years according to the semi-arid conditions. These results also showed an increasing regional discharge from arid Peruvian Pacific coast towards the Pacific Ocean. Finally, the scope of the thesis covers (1) a revisitation of ENSO/precipitation relationship considering the regionalized precipitation and several ENSO indices in order to discriminate the influence of the two types of El Niño (the eastern Pacific (EP) El Niño and the central Pacific (CP) El Niño) as well as the influence of large-scale atmospheric variability associated with the Madden and Julian Oscillation, and of regional oceanic conditions. The proposed methodology consisting in principal component analysis, wavelets and coherence, running correlations and spatial covariance analysis, highlights the significant decadal modulation with the larger ENSO impact in particular in the 2000s, ENSO/precipitation relationship reverses compared to the previous decade. The two dominant co-variability modes between sea surface temperature in the tropical Atlantic and Pacific oceans and the nine regions show salient features of the ENSO influence: increased precipitation over downstream regions in northern Peru during EP El Niño and decreased precipitation over upstream regions along the Pacific slope during CP El Niño events. (2) The sensitivity to hydroclimatic change is explored by hydroclimatic trend analysis as changes indicators of regional hydroclimatology. According to significant upward trends in annual temperature found in all catchments, results showed a significant warming in the study area with a mean of 0.2°C per decade. Also, changes in trajectories in the Budyko space (i.e. direction and magnitude) over the 11 selected catchments revealed that six catchments were shown to be sensitive to climate variability (i.e. likely with high sensitivity to future climate) and land use changes, where precipitation and temperature are the main drivers of these environments changes.

Les précipitations sont un phénomène dont la variabilité s'étend sur une très large gamme d'échelles : de l'échelle millimétrique de la goutte d'eau (échelle microphysique) à l'échelle des circulations atmosphériques globales (échelle synoptique). Il n'existe pas de système unique capable de fournir des observations des précipitations couvrant toutes ces échelles. Les observations satellite sont celles qui actuellement résolvent le plus efficacement les grandes échelles spatiales et temporelles : de la méso-échelle à l'échelle synoptique. Dans cette thèse, nous explorons en zone tropicale les capacités des satellites à résoudre les échelles spatiales de l'ordre de 100km, jusqu'aux échelles kilométriques ; et les échelles temporelles comprises entre 24 heures et 15 minutes (afin de résoudre le cycle diurne). L'approche retenue est physico-statistique. Si les grandes échelles peuvent être résolues par des approches déterministes combinant les mesures de multiples instruments spatiaux, plusieurs facteurs limitent la pertinence des approches déterministes à fine échelle : - Les limites instrumentales en terme de résolution spatiale. - Le nombre d'instruments en orbite qui limite la fréquence d'échantillonnage des mesures. - La nature dynamique de la variabilité fine échelle. En particulier, aux fines échelles, c'est la difficulté à parfaitement localiser les structures précipitantes qui entraine les erreurs d'estimation les plus importantes. L'approche physico-statistique est ici synonyme de déterministe (pour les grandes échelles) et probabiliste (pour les fines échelles). Le premier objectif de cette thèse est de déterminer précisément la limite des échelles qui peuvent être résolues de façon déterministe. L'approche physico-statistique de l'estimation des intensités de précipitation est implémentée dans cette thèse à partir d'une méthode multicapteur déterministe pré-existante : l'algorithme TAPEER, développé dans le cadre de la mission Megha-Tropiques, qui fournit une estimation du cumul pluviométrique journalier à une résolution de 1°. C'est la génération d'ensembles désagrégés par une méthode stochastique multi-échelle qui a été retenue ici. Les ensembles sont contraints par une information fine échelle : un masque de détection des aires précipitantes dérivé des images infrarouge metosat-SG à une résolution de 3km (et avec une image toutes les 15 minutes). La génération d'ensemble permet de caractériser l'incertitude sur l'estimation à travers la dispersion des réalisations de l'ensemble. Chaque réalisation de l'ensemble est générée de façon à reproduire le plus fidèlement possible les propriétés statistiques (distribution de fréquence des intensités, autocorrélation spatiale et temporelle) des véritables champs de précipitation. Ces champs et cette technique ont un apport pour les applications hydrologiques, par exemple pour améliorer le ruissellement lié aux précipitations intenses dans les modèles. Considérer plusieurs réalisations permet de plus d'étudier la propagation des incertitudes à travers un modèle. / Rainfall variability involves a wide range of scales: from the millimeter-scale associated with microphysics to the synoptic scale of the global atmospheric circulation. No existing observation system is able to cover all these scales by itself. Satellite-based observation systems are currently the most efficient systems to resolve the large spatial and temporal scales: from mesoscale meteorology to the synoptic scale. This thesis is dedicated to the exploration of satellites ability to resolve spatial scales from 100km to 2km and temporal scales from 24h to 15 min (in order to resolve the diurnal cycle). The chosen approach is both physical and statistical (or deterministic and probabilistic). The idea is that the deterministic approach can resolve the large scales, but several factors limit its relevance when dealing with fine scales: -The limited resolution of the instruments. -The number of orbiting instruments that limits temporal sampling. -The dynamic nature of fine scale variability. At fines scales, most of the errors in rainfall estimation from satellite comes from not perfectly localizing the precipitating cells. The first objective of this thesis is to identify precisely the lowest limit in scale where the deterministic approach is appropriate. The implementation of the physical-statistical approach relies on an existing multisensor estimate of daily precipitation at a 1° resolution: the TAPEER algorithm developed as part of the Megha-Tropiques mission. The chosen method is a hybrid physical disaggregation and stochastic downscaling via a multiscale representation. The result is an ensemble of high-resolution probable realizations of the rain intensity field. The ensemble is constrained by a high resolution rain detection mask derived from meteosat-SG infrared images at 3km resolution (one image every 15 minutes). The uncertainty associated with the final estimation is handled through the ensemble dispersion. Every realization is generated so that its statistical properties (frequency distribution of the intensities, autocorrelation function) mimic those of the true rain field. The generated fields and the proposed technique contribute to hydrological applications for instance by improving the runoff associated to high precipitation rates in models. Using several realizations is a way to study uncertainty propagation through a model.

Le suivi et la représentation de la variabilité du manteau neigeux en montagne sont des enjeux écologiques et sociétaux majeurs. Le récent développement de modèles météorologiques à échelle kilométrique offre un potentiel nouveau pour améliorer les simulations d'enneigement en montagne. Dans cette thèse, nous avons évalué l'apport des prévisions météorologiques du modèle de prévision numérique du temps AROME à 2.5 km de résolution horizontale pour alimenter le modèle détaillé de manteau neigeux Crocus. Les simulations AROME-Crocus distribuées ont d'abord été évaluées sur les Pyrénées de 2010 à 2014, montrant un apport en termes de représentation de la variabilité spatio-temporelle du manteau neigeux par rapport à l'approche par massif du système opérationnel actuel SAFRAN-Crocus, malgré une surestimation des hauteurs de neige. Par la suite, la valeur ajoutée de produits satellitaires de rayonnements incidents a été étudiée pour des simulations d'enneigement dans les massifs alpins et pyrénéens, soulignant leur bonne qualité en montagne mais un impact mitigé sur le couvert neigeux simulé. Enfin, on a montré comment le schéma de microphysique nuageuse d'AROME associé à Crocus permet de mieux prévoir la formation de glace en surface du manteau neigeux par précipitations verglaçantes dans les Pyrénées. Ces travaux ouvrent la voie à une prévision nivologique distribuée à haute résolution en montagne. / Monitoring and representing the snowpack variability in mountains are crucial ecological and societal issues. The recent development of meteorological models at kilometric scale offers a new potential to improve snowpack simulations in mountains. In this thesis, we assessed the potential of forecasts from the numerical weather prediction model AROME at 2.5 km horizontal resolution to drive the detailed snowpack model Crocus. AROME-Crocus distributed simulations were first evaluated over the Pyrenees from 2010 to 2014. They showed benefits in representing the snowpack spatio-temporal variability as compared to the massif-based approach of the current operational system SAFRAN-Crocus, despite an overestimation of snow depth. Then, we studied the potential added value of satellite-derived products of incoming radiations for simulating the snow cover in the French Alps and Pyrenees. These products were found of good quality in mountains but their impact on the simulated snow cover is questionable. Finally, we showed how the cloud microphysics scheme of AROME associated with Crocus enables to better predict ice formation on top of the snowpack due to freezing precipitation in the Pyrenees. These works pave the way for high-resolution distributed snowpack forecasting in mountains.

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

Malgré l'amélioration constante des modèles de prévision opérationnelle, certains événements demeurent difficilement prévisibles, même à courte échéance. Dans ces cas, la qualité de la prévision dépend fortement de celle des conditions initiales qui lui sont fournies. Dans ce contexte, il apparaît essentiel d'améliorer des méthodes existantes et d'en développer de nouvelles afin de prendre au mieux en compte les incertitudes liées aux conditions initiales, en particulier pour la prévision d'événements intenses tels que les fortes pluies qui touchent régulièrement le bassin Méditerranéen. L'impact d'incertitudes aux conditions initiales sur la prévision de la dite “supertempête” d'Alger (novembre 2001) a été examiné au travers de simulations haute résolution réalisées avec le modèle Méso-NH. Ce cas était caractérisé par la présence d'un profond thalweg d'altitude associé à une cyclogenèse intense. Il a été montré qu'une faible perturbation initiale de la profondeur du thalweg d'altitude (et de l'intensité de l'anomalie positive de tourbillon potentiel associée) pouvait se propager et s'intensifier durant la simulation, impactant alors la prévision du cyclone de surface. Une étude détaillée des conditions de développement de la convection profonde dans chaque expérience a montré que les perturbations de petites échelles observées sur les champs de précipitations étaient directement liées à la prévision du cyclone et donc aux perturbations initiales. Dans une seconde partie, l'influence de corrections de tourbillon potentiel sur la prévision du même cas d'étude a été examinée. A l'aide du modèle opérationnel Français ARPEGE, nous avons montré que la prévision démarrant de l'analyse opérationnelle du 9 novembre 2001 à 1200 UTC n'était pas capable de reproduire le cycle de vie et le creusement de la dépression de surface. Des corrections locales de tourbillon potentiel guidées par des observations satellites issues du canal vapeur d'eau de Meteosat 7 ont conduit à une amélioration significative de la prévision du minimum dépressionnaire et des précipitations associées. A l'aide de simulations très haute résolution (2 km) Méso-NH et de l'utilisation de l'approche dite modèle-vers-satellite, nous avons montré que l'impact des modifications initiales était particulièrement positif lors des périodes de forte activité convective précédent celles de précipitations intenses.

Les phénomènes météorologiques en montagne sont influencés par de nombreux facteurs tels que le relief ou l'altitude, et possèdent de ce fait une grande variabilité spatiale, qui rend l'hydrométéorologie des bassins versants de montagne particulièrement complexe. Au regard de cette hétérogénéité spatiale, les postes d'observations sont à ces altitudes trop peu nombreux. Les mesures sont de plus réalisées dans des conditions parfois difficiles (neige, vent) et sont donc souvent entachées d'importantes incertitudes. En conséquence, l'estimation des stocks de neige et des précipitations, primordiale pour les gestionnaires du parc hydroélectrique d'EDF (Électricité De France), reste encore aujourd'hui sujette à des incertitudes non négligeables. La thèse présentée ici, menée au sein de l'équipe hydrologie d'EDF-DTG a, parmi ses objectifs, le développement d'un outil d'interpolation des précipitations en zones de montagne. Ce dernier permettrait à terme de progresser vers une vision spatialisée et cartographiée de la pluie et de la neige mesurées sur les bassins versants faisant l'objet d'une prévision opérationnelle.<br />Pour développer cette méthodologie, une très vaste base de données a été constituée, regroupant des données françaises (EDF et Météo France) mais également suisses, italiennes et espagnoles. Cet outil repose sur un Modèle Numérique de Terrain de maille 1km. Une classification en types de temps est introduite, afin de prendre en compte les variations du gradient orographique de précipitation en fonction du type de circulation atmosphérique considérée. Au sein de chaque type de temps et pour chaque pixel l'effet orographique, considéré comme prépondérant dans l'explication des précipitations en montagne, est modélisé par une relation linéaire reliant les précipitations du type de temps considéré à l'altitude. Cette relation s'appuie sur les points de mesure situés à proximité du pixel, dont le mode de sélection et de pondération a été optimisé.<br />L'utilisation de la validation croisée entre les stations permet d'évaluer le niveau de restitution du modèle aux altitudes proches du réseau d'observation, quant à la qualité des lames d'eau en haute montagne, elle est par ailleurs évaluée à travers le bilan hydrologique intégré sur les bassins versants instrumentés d'une part, et à l'aide d'une confrontation avec les postes de mesure de l'équivalent en eau du manteau neigeux d'autre part.<br />Développé sur les Alpes Françaises, les Pyrénées et le Massif Central, ce modèle présente des résultats très encourageants au regard de ceux obtenus par d'autres méthodes, ce qui est sans doute le fait du caractère résolument régional du mode de reconstitution des précipitations.