The aim of data assimilation is to find the optimal estimate of the state of the atmosphere at a given time using all the available observational data and the knowledge of the physical and dynamical laws that govern the system's motion. A variety of methods are used for this purpose, and most of them are based on statistical estimation theory, such as variational methods that are widely used in operational numerical weather prediction applications. Two forms can be used to solve the variational assimilation problem: the primal (3D/4D-Var) defined in the model space and the dual (3D/4D-PSAS) defined in the ``observation" space. Both variants are theoretically equivalent {\em at} convergence and in the linear case, are expected to have similar convergence properties. In this thesis, the equivalence is confirmed in an operational setting for the three and four dimensional cases, and the convergence properties are studied. While results at convergence confirm the theoretical equivalence, the convergence of the dual method exhibits a spurious behaviour at the beginning of the minimization which leads to less probable states than the background state, and it takes a number of iterations to retrieve states of comparable probability to that of the background state. This is worrisome since operational implementations can only afford a limited number of iterations. Investigation of this problem showed that it could be avoided by using a minimization scheme, such as the minimum residual (Minres) algorithm, that monotonically decreases the norm of the gradient instead of the functional itself. The iterates of a dual minimization with Minres lead to increasingly probable states. / A relationship is established showing that the primal functional is related to the value of the dual functional and the norm of its gradient. This holds for the incremental forms of both the three and four dimensional cases. / The intercomparison of the primal and dual forms is also examined in a two dimensional weak-constraint framework to account for model errors within the assimilation system. A dual form of the weak-constraint 4D-Var is formulated and results showed that both methods converge to the same solution and with similar convergence rates. As in the three and four dimensional cases, the dual algorithm is still sensitive to the choice of the minimization algorithm, and benefits from Minres properties to avoid the non-physical increments in the first iterations. / Singular vectors of primal and dual Hessians are used to improve the preconditioning of the minimization and to establish a connection between the Hessians which is key to cycling the dual Hessian to the next analysis window. / This holds also in the weak-constraint case and the significantly lower dimension of the control variable in the dual case may be beneficial then. This is an attractive proposition as the length of the assimilation window is extended. / L'objectif de l'assimilation de données est de trouver une estimation optimale de l'état de l'atmosphère à un moment donné en utilisant toute l'information disponible à travers et les observations et les connaissances sur les lois dynamiques et physiques qui gouvernent l'atmosphère. Différentes méthodes sont utilisées à cette fin, dont la majorité sont basées sur les principes de l'estimation statistique. Les méthodes variationnelles en sont un exemple et sont actuellement implémentées dans les grands centres de prévision numérique du temps. Deux formes peuvent être utilisées pour résoudre le problème d'assimilation variationnelle : la primale (3D/4D-Var) qui est définie dans l'espace du modèle et la duale (3D/4D-PSAS) qui est définie dans l'espace des observations. Les deux variantes sont en théorie équivalentes à la convergence et dans le cas linéaire, et sont supposées avoir un comportement de convergence similaire. Dans cette thèse, l'équivalence est confirmée dans un cadre opérationnel, et les propriétés de la convergence étudiées pour les cas tri- et quadri-dimensionnels (3D et 4D). / Alors que les résultats à la convergence confirment l'équivalence théorique, la convergence de la méthode duale présente un comportement étrange pendant les premières itérations de la minimisation, ce qui produit des états moins probables que l'ébauche et cela prend quelques iterations avant de retrouver des états dont la probabilité est comparable à celle de l'ébauche. Ce comportement est inquiétant puisque les implémentations opérationnelles ne peuvent se permettre qu'un nombre limité d'itérations. L'examen de ce problème a montré qu'il peut être évité en utilisant des schémas de minimisation tels que les méthodes à résidu minimum (Minres) qui réduisent monotoniquement la norme du gradient au lieu de la fonction objective elle même. Ainsi, les itérés de la minimisation duale avec Minres conduisent à des états de plus en plus probables. / Une relation est formulées montrant que la fonction primale est liée à la valeur de la fonction duale ainsi que celle de la norme de son gradient. Cela est valide pour les formes incrémentales dans les cas 3D et 4D. / Aussi, la comparaison entre les formes primale et duale a-t-elle été effectuée dans le cadre d'un système bi-dimensionnel en contrainte faible pour tenir compte des erreurs modèle dans le processus d'assimilation. Une forme duale du 4D-Var contrainte faible a été formulée et les résultats montrent que les deux méthodes convergent à la même solution et avec un taux de convergence similaire. Comme dans les autres cas précédents, l'algorithme dual est encore sensible au choix du minimiseur, et profite des propriétés de Minres pour éviter de produire des incréments non physiques pendant les premières itérations. / Les vecteurs singuliers des Hessiennes des méthodes primales et duales sont utilisés pour améliorer le pré-conditionnement de la minimisation et pour établir un lien entre les Hessiennes, ce qui s'avère être déterminant dans la solution de cyclage de la Hessienne duale à la fenêtre d'assimilation suivante. Cette propriété reste aussi valide dans le cas de la contrainte faible où la dimension réduite de la variable de contrôle dans le cas dual peut être bénéfique. Cela est d'autant plus intéressant que la fenêtre d'assimilation est appelée à s'élargir.

A new methodology employing artificial neural networks is used to project changes in North Atlantic tropical cyclone (TC) genesis potential (GP) and potential intensity (PI) in warming climate. The input data is from simulations of 5 climate models. Emanuel's revised Genesis Potential Index is used to measure the GP. Changes are identified in the 1st (P1) and 2nd (P2) half of the 21st century. The early and late summer GP decreases throughout the 21st century over most of the eastern half of the basin and increases off the east coast of USA and the north coast of Venezuela during P1. The peak summer GP over the region of frequent TC genesis is projected to decrease more substantially in P1 than in P2. PI changes are generally positive and more apparent over the western half of the basin. Vertical wind shear (850-200hPa), temperature (600hPa), and PI are the most important controls of TC genesis in the NAB under changing climate. / Nous présentons une nouvelle approche à base de réseaux de neurones artificiels pour étudier les changem ents que connaîtraient le potentiel de formation (PF) et l'intensité potentielle (IP) des cyclones tropicaux dans le Bassin de l'Atlantique Nord, dans un futur réchauffement climatique. Les données utilisées sont issues de simulations de 5 modèles climatiques. L'indice de Potentiel de Formation révisé par Emanuel est utilisé pour évaluer le PF des cyclones. Des changements sont identifiés pour la 1ère (P1) et 2ème (P2) moitié du 21ème siècle. Le PF en début et fin d'été diminue au cours du 21ème siècle sur la majeure partie de la moitié est du bassin, alors qu'il augmente au large de la côte est des États-Unis et au large de la côte nord du Venezuela pendant P1. Le point culminant du PF estival au-dessus de la région où génération de cyclones tropicaux est fréquente est projetée à diminuer plus nettement pendant P1 que P2. Les changements que connaîtrait l'IP sont généralement positifs et plus marqués sur la moitié ouest du bassin. Le cisaillement des vents verticaux (850-200hPa), la température (600hPa) et l'intensité potentielle sont, dans un contexte de changement climatique, les facteurs les plus importants dans la formation de cyclones tropicaux dans le Bassin de l'Atlantique Nord.

Marine stratocumulus clouds play a critical role in Earth's radiative balance primarily due to the role of their high albedo reflecting incoming solar radiation, causing a cooling effect, while weakly reflecting outgoing infrared radiation. Characterization of the 3-Dimensional (3D) structure of these cloud systems over scales of 20-40 km is required to accurately account for the role of cloud inhomogeneity and structure on their shortwave forcing and lifetime, which has important applications for Global Climate Models. For first time, such 3D measurements in clouds were made available from a scanning cloud radar during the U.S. Department of Energy (DOE) Atmospheric Radiation Measurement (ARM) program's Clouds, Aerosol, and Precipitation in the Marine Boundary Layer (CAP-MBL) field campaign in the Azores Islands. The scanning radar observations were complimented by a suite of zenith-pointing active and passive remote sensors that were deployed to provide a detailed description of marine stratus over a long-term observation period in the ideal marine environment commonly found at the Azores. The scanning cloud radar observations present a shift from a multi-instrument, vertically pointing 'soda-straw' observation technique to a radar-only, 'radar-centric' observation technique. The scanning radar observations were gridded using a nearest-neighbor type scheme devised to take the natural variability of the observed field into account. The ability of the scheme to capture primary cloud properties (cloud fraction, cloud boundaries, drizzle detection) was assessed using measurements from the vertically pointing sensors. Despite the great sensitivity of the scanning cloud radar (-42.5 dBZ at 1 km range), the drop in sensitivity with range resulted in an artificial thinning of clouds with range from the radar. Drizzle-free cloud structures were undetectable beyond 5 km from the radar. Cloud fields containing drizzle were generally detectable to ranges exceeding 10 km from the radar. Well-defined streaking patterns in the drizzle field (reflectivity greater than -15 dBZ) at cloud base were concluded to be concomitant with the formation of boundary layer rolls. Sounding data for these well-defined (unbroken) rolls revealed a mean sub-cloud layer wind exceeding 3.9 ms-1, sub-cloud layer shear exceeding 7.5 x 10-3 s-1, and a majority of streaks oriented within 20${\circ}$ of the mean sub-cloud layer wind, satisfying many boundary layer roll criteria proposed in past studies. Attempts to reconstruct the 3D cloud liquid water content and 2D column liquid water path across the scanning radar domain using Z (Reflectivity) vs. LWC (Liquid Water Content) regressions trained using the zenith measurements were proved ineffective due to the overall extent of drizzle at Graciosa, and errors associated with sensitivity loss at range. Despite some difficulties, the SWACR satisfied ARM metrics for success by proving effective at detecting weak clouds for extended time periods across a 10 km plane, and drizzle across a 20 km range, at high spatial resolutions. Difficulties in resolving accurate vertical velocity patterns also suggest the need for an adaptive sampling strategy to most effectively remove horizontal wind components. / Les nuages stratocumulus marins jouent un rôle essentiel dans l'équilibre radiatif de la Terre en raison, principalement, de leur albédo élevé réfléchissant le rayonnement solaire, provoquant un effet de refroidissement, tout en ayant peu d'effet thermique. La caractérisation de la structure tridimensionnelle (3D) de ces systèmes nuageux sur des échelles de 20-40 km est requise pour tenir compte, avec exactitude, du rôle de l'hétérogénéité et de la structure des nuages sur leur forçage dans les ondes courtes et leur cycle de vie, ce qui a des applications importantes pour les modèles climatiques globaux. Pour la première fois, de telles mesures 3D dans les nuages ont été rendues disponibles grâce à un radar de nuages à balayage (le SWACR) pendant la campagne de terrain dans les Açores « Clouds, Aerosol, and Precipitation in the Marine Boundary Layer » (CAP-MBL) du programme « Atmospheric Radiation Measurement » (ARM) du « Department of Energy » (DOE) américain. Les observations du radar à balayage ont été complémentées par une suite d'instruments de télédétection actifs et passifs pointant vers le zénith ayant été déployée pour fournir une description détaillée des stratus marins au cours d'une longue période d'observation dans l'environnement marin idéal couramment trouvé dans les Açores. Les observations du radar de nuages à balayage présentent le passage d'une technique d'observation « paille », utilisant plusieurs instruments pointant verticalement, à une technique d'observation « radar-centrique », utilisant uniquement un radar. Les observations du radar à balayage ont été quadrillées en utilisant une technique du plus proche voisin conçue pour prendre en compte la variabilité naturelle du champ observé. La capacité du régime à capturer les propriétés primaires des nuages (fraction nuageuse, limites des nuages, détection de bruine) a été évaluée en utilisant les mesures des détecteurs pointant verticalement. Malgré la grande sensibilité du radar de nuages à balayage (-42,5 dBZ à une distance de 1 km), la diminution de la sensibilité avec la distance a entraîné un amincissement artificiel des nuages avec la distance du radar. Les structures nuageuses sans bruine étaient indétectables au delà de 5 km du radar. Les domaines de nuages contenant de la bruine étaient généralement détectables à des distances excédant 10 km du radar. Des stries bien définies dans le domaine de bruine (réflectivité Z supérieure à -15 dBZ) à la base des nuages ont été associées avec la formation de rouleaux dans la couche limite. Des données de sondage pour ces rouleaux bien définis (ininterrompus) ont révélé un vent moyen dans la sous-couche nuageuse dépassant 3,9 ms-1, un cisaillement dans la sous-couche nuageuse supérieur à 7,5 x 10-3 s-1 et une majorité des stries orientées dans les 20° du vent moyen de la sous-couche nuageuse, satisfaisant de nombreux critères des rouleaux de couche limite proposés dans des études antérieures. Les tentatives visant à reconstruire la teneur 3D en eau liquide (LWC) et la colonne 2D d'eau liquide des nuages dans le domaine du radar à balayage utilisant des régressions de Z vs LWC formées à partir des mesures en zénith se sont avérées inefficaces en raison de l'étendue générale de la bruine sur Graciosa et les erreurs associées à la perte de sensibilité avec la distance. Malgré quelques difficultés, le SWACR satisfait les métriques de réussite de ARM en s'avérant efficace pour détecter les nuages faibles pendant de longues périodes à travers un plan de 10 km et la bruine sur une distance de 20 km, à haute résolution spatiale. Des difficultés à résoudre les structures précises de vitesse verticale suggèrent également la nécessité d'une stratégie d'échantillonnage adaptatif pour éliminer plus efficacement les composantes du vent horizontal.

The end of the Pleistocene marked a turning point for the Earth system, as climate gradually emerged from millennia of severe glaciation in the Northern Hemisphere. It is widely known that the deglacial climate change then was accompanied by an unprecedented decline in many species of large terrestrial mammals, featuring among others the near-total eradication of the woolly mammoth. Due to a herbivorous diet that involved the grazing of a large number of trees, their extinction is thought to have contributed to the rapid and well-documented expansion of dwarf deciduous trees in Siberia and Beringia, which in turn would have resulted in a significant reduction in surface albedo, leading to an increase in global temperature.In this study, we use the UVic ESCM to simulate various scenarios of the megafaunal extinctions, ranging from the catastrophic to more realistic cases, in order to quantify their potential impact on the climate system, and investigate the associated biogeophysical feedbacks between the growing vegetation and rising temperatures. The more realistic experiments include sensitivity tests based on the timing of extinction, tree clearance ration, and size of habitat, as well as a gradual extinction and a simulation involving free (non-prescribed) atmospheric CO2. Overall, most of the paleoclimate simulations and the sensitivity tests yield results that correspond well with our intuition. For the maximum impact scenario, we obtain a surface albedo increase of 0.006, which translates into a global warming of 0.175°C; these numbers are comparable in magnitude to those in similar studies. / La fin de l'époque du Pléistocène est une étape importante de l'histoire climatique de la Terre. En effet, c'est lors de cette période mouvementée que notre planète s'est pour une ultime fois libérée des conditions glaciales qui perduraient depuis des dizaines de millénaires, et souvent marquées par la présence d'imposante calottes glaciaires dans l'hémisphère nord. Il est bien connu que ce changement climatique fut également accompagné d'un déclin sans précédent de plusieurs espèces de grands mammifères terrestres, y compris une extermination rapide et brutale du mammouth laineux. En raison d'une diète composée en partie de végétaux provenant d'arbres prolifiques durant cette période, il y a de fortes raisons de croire que les ceux-ci auraient pu contribuer au maintien d'une faible densité forestière au sein de leur habitat. Par conséquent, leur extinction aurait contribué à une rapide émergence d'une variété de petits arbres feuillus tant en Sibérie qu'en Béringie, provoquant par la même occasion une réduction considérable de l'albédo de surface, qui à son tour aurait entrainé une augmentation globale de la température.L'objectif visé par cette étude est de quantifier l'impact potentiel qu'aurait pu avoir une extinction majeure de la mégafaune sur le climat de la Terre, par le biais d'une modification de la carte végétale menant à une hausse de la température. Afin d'examiner en détail la rétroaction de processus biogéophysiques à ce changement de température, nous employons le modèle de complexité intermédiaire de l'Université de Victoria (UVic) avec des scénarios plus ou moins réalistes, dont une catastrophe aux proportions exagérées servant à déterminer les limites de que peut offrir le modèle UVic. Parmi les cas plus terre-à-terre figurent quelques tests de sensibilité menés sur des paramètres tels que le taux de déboisement des mammouths, la grandeur de leur habitat, ainsi que l'année de leur extinction. D'autres expériences ayant été menées portent sur un étalement graduel d'un déclin des populations de mégaherbivores, ainsi qu'une simulation laissant libre cours aux échanges de carbone entre l'atmosphère et les autres constituants du système climatique, en autres mots une libre variation du niveau de CO2 dans l'atmosphère.En général, nous obtenons des résultats qui se conforment assez bien avec ceux d'études similaires. Dans le cas d'un scénario catastrophique, nous enregistrons une baisse de l'albédo terrestre équivalent à un peu moins de 0.006, donnant lieu à une hausse de la température se chiffrant à 0.175°C globalement. Quant aux expériences plus réalistes, les résultats en très grande majorité confirment notre intuition.

This thesis studies an infinitely fast bimolecular chemical reaction in a two-dimensional Navier-Stokes flow using a local Lagrangian stretching theory approach. Our flow, large scale and characterized by chaotic Lagrangian trajectories, is an idealized framework for stirring and mixing in the wintertime midlatitude deep stratosphere (WMDS). The dynamics of the WMDS are indeed non-local with chaotic advection thought to occur. The reactants are initially segregated and separated by a one-dimensional contact line. Because the chemical reaction is instantaneous, this problem simplifies to the study of a passive tracer defined as the difference between the reactants. We investigate the effect of the reactants diffusion on the their concentration in order to understand the effect of spatial resolution on similar stratospheric reactions in Climate-Chemistry models. In chapter 1 we review (a) chaotic advection for mixing of chemicals in the WMDS, (b) previous numerical and theoretical works dealing with the issue of horizontal resolution in Climate-Chemistry models in the WMDS, (c) local Lagrangian straining theories applied to the passive tracer problem in large scale flows, like chaotic advection or the Batchelor regime of turbulence. Chapter 2 and chapter 3 focus on the initial regime of the reaction where the contact line between the reactants, independent of the diffusion, is a material line only function of the dynamical properties of the flow. In Chapter 2, we theoretically show that, over an ensemble of realizations of a statistically stationary flow with chaotic trajectories, the ensemble averages of the contact line length, of the reactants gradients along it and of the time derivative of the domain average reactants concentration can be predicted knowing the diffusion and the statistics of the Lagrangian stretching properties (LSP) of the flow. In chapter 3, we adopt the same approach to express the probability density function of the tracer gradients along the contact line and of the tracers as a function of the LSP and of diffusion. In both chapters, the theoretical results are tested with an ensemble of direct numerical simulations (DNS) of the two-dimensional Navier-Stokes flow using a pseudospectral model. Chapter 4 discusses the long-term decay of a passive tracer fluctuation in our dynamically consistent flow, emphasizing on the differences with kinematics flow that are generally used in the literature. / L'objet de cette thèse est l'étude d'une reaction chimique bimoléculaire infiniment rapide dans un fluide doublement périodique et solution des équations de Navier-Stokes en deux dimensions. Ce fluide définit un cadre idéalisé pour le touillage et le mélange dans la stratosphère l'hiver et aux latitudes tempérées. La dynamique y est en effet non locale et l'état actuel des connaissances suggère que l'advection chaotique y prend place. Ce travail utilise une approche locale et lagrangienne de la dilatation des particules de fluides. Les réactifs sont initialisés dans deux parties différentes du domaine et sont séparés par une ligne de contact de dimension un. Nous examinons l'éffet de la diffusion des réactifs sur l'avancement de la réaction, afin de comprendre la dépendence de réactions chimiques similaires dans la stratosphère à la résolution horizontale des modèles numériques du climat couplant dynamique et chimie. Le premier chapitre constitue une revue de littérature (a) de l'advection chaotique d'éspèces chimiques dans la stratosphère (b) de précédents travaux concernantléffet de la resolution horizontale des modelèles couplant chimie et climat sur la chimie de la stratosphère l'hiver aux latitudes moyennes (c) des théories locales et Lagrangiennes de la dilatation des particules de fluides pour expliquer la phénoménologie d'un traceur passif dans un fluide grande échelle, par exemple charactérisé par une advection chaotique ou dans le régime turbulent de Batchelor. Les deux chapitres suivant concernent le régime initial de la réaction, où la ligne de contact entre les réactifs, ne dépendant pas de la diffusion, est une ligne materielle fonction uniquement des propriétés dynamiques du fluide. Nous montrons, de manière théorique, que sur un ensemble de réalisations du fluide statistiquement stationnaires avec trajectoires chaotiques, la moyenne de la longueur de la ligne de contact, des gradients des réactifs le long de cette ligne et de la dérivée temporelle des concentrations moyennes des réactifs sur le domaine peuvent être prédites à partir de la diffusion et des propriétés lagrangiennes de dilatation des particules de fluides (PLD). Les PLD sont constituées des exposants de Lyapunov à temps fini et de deux temps équivalents pouvant être calculés sur une trajectoire à partir de l'évolution de l'éxposant de Lyapunov. L'inverse de l'éxposant de Lyapunov définit sur une trajectoire le temps caractéristique de dilatation d'une particule de fluide au temps t, alors que les temps équivalents le mesurent respectivement dans le passé récent avant t et aux moments initiaux de la trajectoire. Les résultas théoriques sont éprouvés à l'aide de simulations numériques avec un modèle pseudo-spectral du fluide solution des équations de Navier-Stokes en dimension deux. Le quatriéme chapitre s'intéresse au déclin d'un traceur passif dans ce même fluide. Nous mettons l'accent sur les différences avec le déclin dans des fluides cinématiques largement décrits dans la littérature. Comprendre la dépendence dece déclin avec la diffusion s'applique directement à une réaction infiniement rapide.

An analysis of the co-variability of surface air temperature and precipitation over North America and Pacific SST is conducted using an SVD analysis. The leading SVD mode revealed a strong link between November SST anomalies and winter surface air temperature (SAT) and precipitation anomalies. In summer this relationship is much weaker. In winter GCM3 captured well the Pacific SST forcing and its response, particularly on the SAT pattern, but its response is less accurate in the summer. The monthly and seasonal forecasts using GCM3 are also analyzed. Precipitation forecasts showed little skill, especially in the warm season where the SST forcing is weak. Furthermore, GCM3 has low seasonal predictive skill in forecasting drought events over the Canadian prairies. However, the model has generally good predictive skill for 500 hPa heights and SAT, with higher scores in the winter. The skill is concentrated in the first month of the prediction period and decreases as the lead time is extended to one month. / Une analyse de la co-variabilité entre la température de l'air au sol (SAT) ainsi que les précipitations en Amérique du Nord et la température de l'océan Pacifique à la surface (SST), a été faite en utilisant la méthode SVD. Le mode dominant de la SVD a révélé une relation forte entre les anomalies de la SST du mois de novembre et celles de la SAT et des précipitations hivernales. Ce lien est beaucoup plus faible en été. Le modèle GCM3 reproduit assez bien la réponse au forçage de la SST, particulièrement sur les patrons de la SAT, mais sa réponse est beaucoup moins précise en été. Les prévisions mensuelles et saisonnières de GCM3 ont aussi été analysées. Les capacités de GCM3 à prévoir les précipitations sont faibles, surtout en été où le forçage de la SST est aussi faible. De plus, le modèle ne possède pas d'habiletés notables à prédire les sécheresses dans les prairies Canadiennes. Par contre, les capacités prévisionnelles du modèle concernant la SAT et le géopotentiel à 500 hPa sont généralement assez élevées, particulièrement en hivers. Les habiletés de GCM3 sont concentrées dans le premier mois de la période de prévision, puis déclinent lorsque le délai d'émission est prolongé.

A new stratospheric chemistry box model with a more accurate on-line photolysis calculation is used to study the effects of daily solar variability on stratospheric chemistry, both with and without dynamics. The chemical response on this time-scale has not been looked at before. The underlying mechanisms behind the chemical response are thoroughly analyzed using a step-by-step approach. The daily response is found to have the ability to be extrapolated to longer time-scales, specifically the 27-day cycle, and the inclusion of dynamics is found to reduce the response of ozone to solar variability. Also, the detailed analysis of chemical species other than ozone fills a gap in current research. / Un nouveau modèle de boîte pour la chimie stratosphérique a été développé et est utilisé pour étudier les effets journaliers de la variabilité solaire sur la chimie stratosphérique, avec ou sans dynamique atmosphérique. La réponse chimique sur cette échelle de temps n'avait pas été étudiée. Les mécanismes sous-jacents à la réponse chimique sont analysés dans les détails en incluant progressivement les différents couplages. En outre, il est montré que la réponse journalière peut êtreextrapolée sur de plus longues échelles de temps, en particuliers pour le cycle de 27 jours. Lorsque la dynamique est introduite, il est montré que le signal en est diminué. L'analyse détaillée des espèces chimiques autres que l'ozone comble un manque dans l'éetat de la recherche actuelle.

In this work, we have considered several aspects of the McGill radar assimilation system. Currently, information other than radar observations is included in the assimilation system: the forecast of a high-resolution numerical weather prediction model. Besides, the structure of errors of this background term has been improved using a recursive filter. / With single-Doppler S-band radar observations, the analyses from the assimilation system proved to successfully generate convection in a rainfall-free background. Furthermore, the system successfully simulated the evolution of a convective storm for more than 30 minutes. To account for the rapid evolution of the convective storms and to correct the forecast errors with time, a cycling process has also been applied. The cycling process helps to maintain the intensity of storm cells for a longer period of time. However, a comparison of radar observations with the 90-min simulation indicated an error in the position of the convective cells. / Errors in forecasts, frequently referred to as background errors, result from errors in the initial conditions that grow through non-linear model equations with imperfect physical parameterizations. However, estimating forecast errors is not straightforward since the true atmospheric state is never exactly known. Ensemble forecasting is a feasible way to characterize the structure of forecasting errors and represent the probability distribution of plausible atmospheric states. / In our work, an ensemble scheme has been applied to understand the structure of background errors at convective scale. The analysis has consisted in perturbing radar observations with two sets of simulated errors: one that neglects the spatial correlation of radar errors, and another where their spatial correlation is prescribed. The sensitivity of the system to such perturbations has been studied over a convective case. The results demonstrated that neglecting the correlation of radar errors badly limits the spread of ensembles and underestimates the model error correlation. In addition, further studies on the cross-correlations between different control variables illustrated the strong connection between the dynamics and the microphysical processes as depicted by the model. Our work also included the analysis of the different features of the background error within and outside the precipitation regions. / Dans ce travail, nous avons considéré différents aspects du système d'assimilation de données radars de McGill. Présentement, autre que les observations radars, la prévision haute résolution d'un modèle numérique est incluse dans le système d'assimilation. La modélisation de la structure des erreurs du terme d'ébauche a été améliorée par l'utilisation d'un filtre récursif. / Avec l'assimilation d'observations Doppler d'un radar en bande S, l'analyse du système d'assimilation démontre la capacité de générer de la convection dans une ébauche sans précipitation. De plus, le système a simulé avec succès l'évolution d'un orage convectif jusqu'à plus de 30 minutes. Un procédé cyclique a été utilisé pour capter l'évolution rapide des orages convectifs et pour corriger les erreurs de prévision. Ce procédé aide à maintenir l'intensité des cellules orageuses sur une plus longue période de temps. Cependant, une comparaison de la simulation à 90-min. avec des observations radars indique une erreur dans l'emplacement des cellules convectives. / Les erreurs de prévision, également appelées erreurs d'ébauche, proviennent des erreurs des conditions initiales, qui ont crû à travers les équations non-linéaires du modèle aux paramétrages physiques imparfaits. L'estimation de ces erreurs est difficile compte tenu du fait que l'état exact de l'atmosphère n'est jamais connu. La prévision d'ensembles est une méthode plausible pour caractériser la structure des erreurs d'ébauche et pour représenter la distribution de probabilités d'états atmosphériques réalistes. / Dans notre étude, un ensemble de prévisions a été utilisé afin de mieux comprendre l'erreur du terme d'ébauche à l'échelle de la convection. L'analyse des prévisions d'ensemble a été basée sur deux séries d'erreurs simulées sous forme de perturbations appliquées aux observations radars : une qui ignore la corrélation spatiale des erreurs dans les observations, et une seconde où cette corrélation est prescrite. Le résultat des prévisions d'ensemble démontre que la négligence de la corrélation entre les erreurs des données radars limite de façon considérable la dispersion des ensembles, et sous-estime la corrélation de l'erreur du modèle. La corrélation croisée des erreurs des variables de contrôle illustre la forte relation entre la dynamique et les processus microphysiques tels que décrits par le modèle. Il est finalement démontré que les erreurs du terme d'ébauche ont différentes propriétés à l'intérieur et à l'extérieur des régions de précipitation.

This thesis is an attempt to estimate the vertical air motion in stratiform snow region of a case study. The motivation is to search for a better understanding of the interesting precipitation and vertical velocity structure observed for this case by the X-band vertically-pointing radar of McGill University, where particles are decelerating in their fall at several height levels while the reflectivity field suggests an increase of snow mass. Three methods of retrieval of vertical air motion are explored: the adiabatic method that assumes conservation of potential energy and gives an estimation of the synoptic scale air motion; subtraction of fall speed of snow from Doppler vertical velocity measurements, the fall speed estimated from its relationship with two moments of the particle size distribution: radar reflectivity and Doppler velocity; and finally the kinematic method that gives the vertical wind by integration of horizontal divergence assuming air mass continuity. Each method of retrieval brought new elements to the analysis of vertical wind field, in space and in time, and all seem to agree on the observed fluctuations in vertical velocities to be mainly caused by air motion. Results of vertical wind at the large scale, obtained when necessary from retrieved fields by taking the time or spatial average, seem consistent with each other. They could be used as additional information derived from observations in data assimilation analysis systems, and provide a better initial guess of the atmospheric state to numerical models. / Dans la présente étude de cas, le vent vertical d'un système stratiforme dans la région de neige est analysé. Au-dessus de la bande brillante, une structure de vitesse verticale ayant plusieurs couches de décélération des particules de neige est observée, aux niveaux même où la réflectivité diminue avec la hauteur, ce qui indique une augmentation de la masse de neige. Dans le but de mieux comprendre les mécanismes dynamiques et microphysiques possiblement impliqués dans la formation de précipitation qui causent ces curieux mouvements verticaux, le vent vertical à différentes échelles est dérivé par trois méthodes : conservation de l'énergie potentielle (la méthode adiabatique); estimation de la vitesse de chute de neige relative au mouvement de l'air à partir de propriétés microphysiques de la neige, pour ensuite la soustraire de la vitesse verticale Doppler mesurée par un radar en bande-X; et intégration en hauteur de la divergence horizontale, appelée la méthode kinématique. S'appuyant sur les résultats des trois méthodes d'estimation de vent vertical, il est suggéré que les fluctuations observées dans la vitesse verticale des particules sont causées principalement par des mouvements d'air. Les profiles de vent vertical à grande échelle, obtenus si nécessaire par moyennes arithmétiques dans le temps et l'espace, semblent être consistents les uns avec les autres. Ceux-ci, en tant qu'information additionnelle dérivée d'observations, pourraient être utiles si incorporés dans des systèmes d'assimilation de données et améliorer l'initialisation de modèles numériques, et pourraient aider les systèmes d'analyse à mieux converger vers la bonne solution.

The response of the Hadley Cell (HC) width to the global warming is investigated using a set of dry global circulation model (GCM) integrations. In the model, global warming is mimicked by two thermal forcings: a warming in the tropical upper troposphere (THR) and a warming in polar lower atmosphere (PHR). A set of model integrations for the THR case, the PHR case and both of these cases combined (TPH) are performed with both the axisymmetric (2D) and non-axisymmetric (3D) model configurations. It is found that THR results in a clear poleward expansion of the Hadley circulation. By contrast, the PHR case tends to cause the HC in the 3D run to shrink, although its impact is minor. This sensitivity does not exist on the axisymmetric (2D) integration, indicating that baroclinic eddies play a critical role in the widening of the HC. Model integrations with TPH show a stronger HC expansion than their addition of two simulations with only THR and PHR. It suggests that baroclinic eddies, which are responsible for the HC expansion, nonlinearly interact with the THR and PHR. The widening of the HC is also found to be solely attributed to the influence of increased static stability, which is induced by tropical heating. Sensitivity tests further show the HC expansion is highly sensitive to the width of the THR. This occurs only when THR is broad enough to change the baroclinicity in the subtropics. / Lèffet du réchauffement global sur la largeur de la cellule de Hadley est examiné en utilisant une série d`intégrations dùn modèle de circulation global sec. Dans le modèle, le réchauffement global est imité par deux forçages thermiques, le réchauffement de la troposphère supérieure tropicale et le réchauffement polaire est la combinaison des deux réchauffements, une série d`intégrations numériques est performée avec deux configurations de modèle : axisymétrique (2D) et non-axisymétrique (3D). Les résultats démontrent que le réchauffement tropical résulte en une expansion évidente de la cellule de Hadley. Au contraire, le réchauffement polaire diminue la largeur de la cellule de Hadley bien que lèffet soit mineur. Cette sensibilité nèxiste pas dans la simulation 2D, indiquant que les ondes baroclines jouent un rôle important dans l`élargissement de la cellule de Hadley. L`intégration combinant les réchauffements tropicaux et polaires d`émontrent une expansion supérieure de la cellule de Hadley que les intégrations de réchauffement tropical et de réchauffement polaire additionnées. Cela suggère que les ondes baroclines qui sont responsables de lèxpansion de la cellule de Hadley interagissent de manière non-linéaire avec le réchauffement tropical et le réchauffement polaire. En plus, lèxpansion de la cellule de Hadley est uniquement attribuée a l`influence dùne stabilité accrue introduite par le réchauffement tropical. Des tests de stabilité d`émontrent que lèxpansion est très sensible à la largeur du réchauffement tropical. Il a lieu seulement lorsque le réchauffement tropical est assez large pour changer la baroclinicité dans les subtropiques.