La pollution atmosphérique est le produit de fortes émissions de polluants (et de leurs précurseurs) et de conditions météorologiques défavorables. Les particules fines (PM2.5) sont l'un des polluants les plus dangereux pour la santé publique. L'exposition répétée ou prolongée à ces particules entraîne chaque année des maladies respiratoires et cardio-vasculaires chez les personnes exposées ainsi que des morts prématurées. L'évolution du climat dans les années à venir aura un impact sur des variables météorologiques (température, vents, précipitations, ...). Ces variables influencent à leur tour divers facteurs, qui affectent la qualité de l'air (émissions, lessivage par les précipitations, équilibre gaz/particule, ...). Si de nombreuses études ont déjà projeté l'effet du changement climatique sur les concentrations d'ozone, peu se sont intéressées à son effet sur les concentrations de particules fines, en particulier à l'échelle du continent européen. C'est ce que cette thèse se propose d'étudier. La circulation atmosphérique de grande échelle est étroitement liée aux variables météorologiques de surface. Par conséquent, il est attendu qu'elle ait également un impact sur les concentrations de PM2.5. Nous utilisons dans cette thèse une approche statistique pour estimer les concentrations futures de PM2.5 à partir d'observations présentes de PM2.5, de quelques variables météorologiques pertinentes et d'outils permettant de représenter cette circulation atmosphérique (régimes et types de temps). Le faible nombre d'observations journalières de PM2.5 et de ses composants en Europe nous a conduit à créer un jeu de données pseudo-observées à l'aide du modèle de qualité de l'air Polyphemus/Polair3D, puis à l'évaluer de façons opérationnelle et dynamique, afin de s'assurer que l'influence des variables météorologiques sur les concentrations de PM2.5 est reproduite de manière satisfaisante par le modèle. Cette évaluation dynamique d'un modèle de qualité de l'air est, à notre connaissance, la première menée à ce jour.Les projections de PM2.5 sur les périodes futures montrent une augmentation systématique des concentrations de PM2.5 au Royaume-Uni, dans le nord de la France, au Benelux et dans les Balkans, et une diminution dans le nord, l'est et le sud-est de l'Europe, en Italie et en Pologne. L'évolution de la fréquence des types de temps ne suffit pas toujours à expliquer l'évolution de ces concentrations entre les périodes historique et futures, car les relations entre circulation atmosphérique de grande échelle et types de temps, entre types de temps et variables météorologiques, et entre variables météorologiques et concentrations de PM2.5 sont amenées à évoluer dans le futur et contribuent à l'évolution des concentrations de PM2.5. L'approche statistique développée dans cette thèse est nouvelle pour l'estimation de l'impact du climat et du changement climatique sur les concentrations de PM2.5 en Europe. Malgré les incertitudes qui y sont associées, cette approche est facilement adaptable à différents modèles et scénarios, ainsi qu'à d'autres régions du monde et d'autres polluants. En utilisant des observations pour définir la relation polluant-météorologie, cette approche serait d'autant plus robuste / Air pollution is the result of high emissions of pollutants (and pollutant precursors) and unfavorable meteorological conditions. Fine particulate matter (PM2.5) is one of the pollutants of great concern for human health. Every year, a repeated or continuous exposure to such particles is responsible for respiratory and cardiovascular diseases among the concerned populations and leads to premature deaths. Climate change is expected to impact meteorological variables (temperature, wind, precipitation,...). Those variables will influence numerous factors, which will affect air quality (emissions, precipitation scavenging, gas/particle equilibrium,...). A large body of studies have already investigated the effects of climate change on ozone, whereas only a few have addressed its effects on PM2.5 concentrations, especially over Europe. This is the subject we investigate in this thesis. Large-scale circulation is closely linked to surface meteorological variables. Therefore, it is expected that it will impact PM2.5 concentrations too. In this thesis, we develop a statistical algorithm to estimate future PM2.5 concentrations from present PM2.5 observations, selected meteorological variables and tools to represent this circulation (weather regimes and weather types). The lack of daily observations of PM2.5 and its components over Europe prevents us to used observations. Consequently, we have created a pseudo-observed PM2.5 data set, by using the Polyphemus/Polair3D air quality Chemical-Transport Model. Both operational and dynamic evaluations were conducted against EMEP measurements, to ensure that the influence of meteorological variables on PM2.5 concentrations is correctly reproduced by the model. As far as we know, this dynamic evaluation of an air quality model with respect to meteorology is the first conducted to date.Future PM2.5 concentrations display an increase over the U.K., northern France, Benelux, and in the Balkans, and a decrease over northern, eastern, and southeastern Europe, Italy, and Poland compared to the historical period. The evolution of weather type frequencies is not sufficient to explain the PM2.5 changes. The relationships between the large-scale circulation and the weather types, between the weather types and meteorological variables, and between meteorological variables and PM2.5 concentrations evolve with future meteorological conditions and also contribute to PM2.5 changes. The statistical method developed in this thesis is a new approach to estimate the impact of climate and climate change on PM2.5 concentrations over Europe. Despite some uncertainties, this approach is easily applicable to different models and scenarios, as well as other geographical regions and other pollutants. Using observations to establish the pollutant-meteorology relationship would make this approach more robust

L'ozone troposphérique, polluant secondaire affectant la santé des êtres vivants, concerne particulièrement le département des Alpes-Maritimes au cours de la saison photochimique. Espace littoral montagneux, ce territoire est largement dominé durant l'été notamment par des conditions anticycloniques permettant aux brises thermiques de s'exprimer. Ce régime de vent est au cœur de la problématique de la pollution par l'ozone puisqu'il entraîne fréquemment une accumulation des polluants primaires et secondaires au fil des jours au sein de la même masse d'air. Bien qu'étant un département faiblement industrialisé, les Alpes-Maritimes sont victimes d'un fort ensoleillement qui permet aux polluants primaires, émis majoritairement par le trafic routier près du littoral et par la végétation dans l'arrière-pays, de produire de l'ozone.<br />A travers les données de pollution issues du réseau de surveillance de la qualité de l'air d'AtmoPACA ainsi qu'à partir de très nombreuses mesures de terrain, l'objectif est de mieux appréhender les relations entre la variabilité spatiale et temporelle de l'ozone et celle des conditions météorologiques à différentes échelles. Après avoir détaillé l'historique des mesures d'ozone et de dioxyde d'azote disponibles dans le département, une première approche à macro-échelle est menée entre les réanalyses du NCEP et les niveaux de pollution par l'ozone dans neuf stations de mesures des Alpes-Maritimes. Ce premier niveau d'analyse permet de définir les configurations météorologiques générales caractérisant un épisode de pollution par l'ozone. La présence d'une dorsale anticyclonique sur l'Europe de l'ouest, associée à de faibles vitesses de vent, de faibles taux d'humidité relative en surface et d'une faible vorticité relative, provoque une dégradation de la qualité de l'air dans le département.<br /> Un second niveau d'analyse est alors abordé : il s'agit de préciser à méso-échelle et à micro-échelle les conditions météorologiques propices à de fortes concentrations d'ozone. Pour cela des campagnes de mesures itinérantes d'ozone sont effectuées dans l'ensemble du département ; une importante base de données est constituée sur la commune de Nice et dans ses alentours. Le recours au modèle météorologique RAMS permet alors de mieux comprendre la variabilité spatiale et temporelle de l'ozone induite par les conditions climatiques locales. Les variables météorologiques les plus corrélées aux concentrations d'ozone sont la vitesse du vent en surface, l'énergie cinétique turbulente, la hauteur de la couche limite atmosphérique et l'humidité relative. Tout indique que moins le volume d'air dans lequel les polluants primaires sont émis est important, et moins l'intensité du brassage de l'air est forte, alors plus les concentrations d'ozone sont élevées. Il semblerait également que ces conditions locales du temps aient plus d'influence sur les niveaux de pollution par l'ozone que la configuration synoptique à macro-échelle. Bien qu'étant nécessaire, la présence d'un anticyclone sur l'Europe de l'ouest n'est pas suffisante pour expliquer le comportement de l'ozone localement dans les Alpes-Maritimes.<br />Parallèlement à ces différentes approches, les origines spatiales de la pollution photochimique affectant cet espace littoral montagneux sont recherchées. L'advection d'importantes quantités d'ozone par la brise de mer en journée indique que ce polluant s'accumule au dessus de la mer ; excepté ce phénomène d'accumulation induit par des aller-retour de la masse d'air guidée par l'alternance entre la brise de mer et la brise de terre, l'origine des fortes concentrations d'ozone au dessus de la mer n'est pas clairement comprise. Il semblerait qu'un schéma de recirculation des masses d'air en trois dimensions permette la création d'un empilement de couches stratifiées sur la mer.

L'analyse de la climatologie des aléas océano-météorologiques tels que les états de mer est fondamentale pour comprendre l'évolution et la dynamique des zones côtières, estimer les risques naturels survenant lors d'événements de tempête majeurs, définir les moyens optimaux de protection des ports et infrastructures onshore et offshore, caractériser la ressource houlomotrice pour des projets de récupération d'énergie des vagues, comprendre les processus d'érosion et accrétion des plages, etc. Pour répondre à ces problématiques dans un contexte de questionnement croissant sur les conséquences potentielles associées au changement climatique, le travail de thèse s'inscrit dans une démarche double : (i) approfondissement de la connaissance du climat de vagues actuel le long des côtes Atlantique, Manche et Mer du Nord en France d'une part, et (ii) estimation des évolutions futures potentielles de cette climatologie des vagues pour différents scénarios d'évolution climatique. L'estimation de l'impact du changement climatique sur le climat de vague se compose de trois éléments principaux : (i) une connaissance détaillée de la variabilité climatique actuelle des états de mer, (ii) l'utilisation de scénarios de changement climatique à l'horizon 2100 et (iii) la définition d'une méthodologie de descente d'échelle adaptée. Pour appréhender ces sujets, l'Atlas Numérique d'Etats de Mer Océanique et Côtier ANEMOC-2 a été construit à l'aide du modèle spectral de 3ème génération TOMAWAC (Benoit et al., 1996) sur la période 1979-2009 et le climat de vagues futur a été simulé à l'horizon 2100 par des méthodes de descente d'échelle dynamique et statistique en considérant les scénarios de changement climatique du quatrième rapport du GIEC (IPCC, 2007).En particulier, un travail original de comparaison de projections d'états de mer par approche dynamique et par approche statistique des types de temps a été réalisé sur la période 2061-2100 pour les scénarios B1, A1B et A2 simulés par le modèle ARPEGE-CLIMAT de Météo-France (Salas-Mélia, et al. 2005). Les résultats des deux approches (à savoir hauteur significative, période moyenne, direction moyenne et flux d'énergie des vagues) ont été comparés en termes de valeurs moyennes, écarts-types, distributions jointes et variabilités saisonnière et interannuelle. Ce travail a abouti à une estimation de l'impact du changement climatique sur la climatologie des états de mer le long des côtes Atlantique, Manche et Mer du Nord françaises sur la période 2061-2100 en tenant compte des incertitudes intrinsèques aux méthodes de descente d'échelle et aux scénarios de changement climatique. En hiver par exemple, nous observons une augmentation des valeurs moyennes et de la variabilité des paramètres de hauteur significative, période moyenne et flux d'énergie des vagues, notamment en Mer du Nord (pour les scénarios B1, A1B et A2) et dans le Golfe de Gascogne pour le scénario B1. En complément, ces paramètres d'états de mer ont tendance à diminuer dans le Golfe de Gascogne pour les saisons printemps, été et automne. Enfin, les paramètres d'états de mer associés aux hauteurs de vagues du quantile 95 tendent à augmenter sur une large emprise de l'Atlantique nord-est

La pollution atmosphérique est le produit de fortes émissions de polluants (et de leurs précurseurs) et de conditions météorologiques défavorables. Les particules fines (PM2.5) sont l'un des polluants les plus dangereux pour la santé publique. L'exposition répétée ou prolongée à ces particules entraîne chaque année des maladies respiratoires et cardio-vasculaires chez les personnes exposées ainsi que des morts prématurées. L'évolution du climat dans les années à venir aura un impact sur des variables météorologiques (température, vents, précipitations, ...). Ces variables influencent à leur tour divers facteurs, qui affectent la qualité de l'air (émissions, lessivage par les précipitations, équilibre gaz/particule, ...). Si de nombreuses études ont déjà projeté l'effet du changement climatique sur les concentrations d'ozone, peu se sont intéressées à son effet sur les concentrations de particules fines, en particulier à l'échelle du continent européen. C'est ce que cette thèse se propose d'étudier. La circulation atmosphérique de grande échelle est étroitement liée aux variables météorologiques de surface. Par conséquent, il est attendu qu'elle ait également un impact sur les concentrations de PM2.5. Nous utilisons dans cette thèse une approche statistique pour estimer les concentrations futures de PM2.5 à partir d'observations présentes de PM2.5, de quelques variables météorologiques pertinentes et d'outils permettant de représenter cette circulation atmosphérique (régimes et types de temps). Le faible nombre d'observations journalières de PM2.5 et de ses composants en Europe nous a conduit à créer un jeu de données pseudo-observées à l'aide du modèle de qualité de l'air Polyphemus/Polair3D, puis à l'évaluer de façons opérationnelle et dynamique, afin de s'assurer que l'influence des variables météorologiques sur les concentrations de PM2.5 est reproduite de manière satisfaisante par le modèle. Cette évaluation dynamique d'un modèle de qualité de l'air est, à notre connaissance, la première menée à ce jour.Les projections de PM2.5 sur les périodes futures montrent une augmentation systématique des concentrations de PM2.5 au Royaume-Uni, dans le nord de la France, au Benelux et dans les Balkans, et une diminution dans le nord, l'est et le sud-est de l'Europe, en Italie et en Pologne. L'évolution de la fréquence des types de temps ne suffit pas toujours à expliquer l'évolution de ces concentrations entre les périodes historique et futures, car les relations entre circulation atmosphérique de grande échelle et types de temps, entre types de temps et variables météorologiques, et entre variables météorologiques et concentrations de PM2.5 sont amenées à évoluer dans le futur et contribuent à l'évolution des concentrations de PM2.5. L'approche statistique développée dans cette thèse est nouvelle pour l'estimation de l'impact du climat et du changement climatique sur les concentrations de PM2.5 en Europe. Malgré les incertitudes qui y sont associées, cette approche est facilement adaptable à différents modèles et scénarios, ainsi qu'à d'autres régions du monde et d'autres polluants. En utilisant des observations pour définir la relation polluant-météorologie, cette approche serait d'autant plus robuste

La variabilité hydro-climatique du bassin amazonien pendant les 40 dernières années est analysée pour la première fois à partir de données /in situ/ provenant de la totalité du bassin amazonien. L'importance des régions andines dans la variabilité pluriannuelle de l'hydrologie est mise en évidence. Ainsi, une diminution des débits d'étiage et le maintien de forts débits de crues dans le cours principal de l'Amazone, en particulier depuis le début des années 1990, sont liées à une forte diminution des pluies et des débits annuels dans le sud-ouest du bassin et à une augmentation des pluies et des crues dans le nord-ouest.<br>L'explication de la variabilité hydrologique fait appel à des indices océano-atmosphériques mensuels et à des types de temps quotidiens. Ceux-ci sont définis pour l' Amérique du Sud tropicale au moyen des données de réanalyses ERA40 et d'une méthode neuronale. Les caractéristiques et la succession des types de temps sont liées principalement au passage de perturbations extratropicales qui modifient l'orientation des flux méridiens à l'est des Andes et font alterner convergence et divergence dans le sud-ouest et le nord-ouest du bassin.<br>La fréquence des types de temps permet de reconstituer en partie les pluies et d'expliquer aussi bien la variabilité hydrologique aux pas de temps inter et pluri annuels que l'occurrence de crues et d'étiages exceptionnels.

Sur le bassin méditerranéen, les projections climatiques pour la fin du siècle indiquent un assèchement des étés accompagné d'une intensification des précipitations.Dans ce contexte, la caractérisation de la pluviométrie de la région est nécessaire pour appréhender son évolution future.Les modèles climatiques régionaux (RCM) sont des outils essentiels pour la compréhension du climat régional et pour la projection de son évolution.L'objectif de cette thèse est alors de caractériser et d'évaluer la pluie simulée par les RCM dans le sud-est de la France, typique des régions méditerranéennes côtières.La description de la pluie observée aux mêmes échelles que les RCM en est un préalable.La pluie observée et simulée est caractérisée en termes de valeurs et de structure spatiale et temporelle de l'occurrence et de l'intensité.Les liens entre ces caractéristiques et les processus physiques sous-jacents sont explorés grâce à une analyse par type de temps.Dans les modèles, le volume annuel total d'eau apporté par la pluie sur l'ensemble de la région d'étude est proche des valeurs observées.Ce volume n'est toutefois pas réparti également dans le temps et dans l'espace dans les observations et dans les simulations.Parmi les multiples caractéristiques de la pluie observée et simulée, cette étude souligne l'influence des forçages du relief et des processus liés au cycle diurne de l'énergie solaire à la fois sur le déclenchement et sur l'intensité des précipitations.Ainsi, la pluie se produit préférentiellement en fin d'après-midi, en lien avec le chauffage diurne de la surface.Cependant, dans les modèles, le maximum d'occurrence est plus précoce que dans les observations, ce qui suggère une réponse trop rapide du schéma de convection au cycle diurne des flux de surface, liée à l'absence de la phase de transition entre la convection peu profonde et la convection profonde dans la majorité des schémas.Par ailleurs, au sein du domaine d'étude, l'influence du relief sur les caractéristiques de la pluie est plus marquée pour les Cévennes que pour les Préalpes.Les RCM reproduisent cette influence du relief sur les caractéristiques de pluie.Toutefois, les contrastes entre plaines et reliefs sont plus accentués dans les modèles que dans les observations, notamment lorsque le forçage de grande échelle est faible et la convection dominante dans la région d'étude.L'accentuation du contraste entre plaine et montagne dans les modèles semble donc provenir d'une trop grande sensibilité des schémas de convection au relief qui favorise la convergence et l'instabilité de la masse d'air. / Climate projections for the end of the century indicate drier summers and more intense precipitation in the Mediterranean.In this respect, the characterization of rainfall in the region is necessary to understand its future changes.Regional climate models (RCM) are essential tools to understand the regional climate and to project its future evolution.This thesis aims at characterizing and evaluating rainfall simulated by RCM in Southeast France, typical of the mediterranean coastal regions.The description of observed rainfall at the same scales as RCM is a prerequisite.Observed and simulated rainfall is described in terms of values and spatial and temporal structure of occurrence and intensity.Weather types are used to explore the relation between rainfall features and the underlying physical processes.In the RCM, the annual total volume of water precipitated over the study region is closed to the observed values.However, this total volume is not distributed the same in space and time in the RCM simulations and in the observations.Among the multiple facets of the rainfall climatology, this study highlights the influence of the relief and of the solar cycle both in the triggering and in the intensity of rain.Rain appears to occur preferentially in the late afternoon, in connection with the daytime heating of the surface.However, the maximum of rain occurrence simulated by the RCM is earlier than in the observations, suggesting a too quick response of the convection scheme to the diurnal cycle of surface fluxes, in relation to the absence of transition between shallow and deep convection in most schemes.Besides, within the study region, the orographic forcing appears to be quite different for the two ranges of the domain and is much more pronounced over the Cévennes.The RCM reproduce the influence of the topography on rainfall features.Yet, the contrast between plains and mountains is more pronounced in the models than in the observations, especially when the large-scale forcing is weak and the convection is prevailing in the study area.The contrast accentuation between plain and relief in the models seems to be due to a too high sensitivity of the convection schemes to the air mass convergence and instability favored by the relief.

L’objectif principal de cette thèse est de s’intéresser aux fortes pluies dans les Monts Métallifères (OM) et les Vosges (VG) en Europe centrale. La méthode Weather Extremity Index a été appliquée sur les données de précipitation journalière de 167 stations dans les OM et 168 stations dans les VG et a permis de sélectionner les 54 plus forts évenements des précipitations extrêmes (EPEs) dans OM et VG. Plusieurs aspects des EPEs ont été examinés. Les résultats ont montré que les EPEs sont le plus souvent de courte durée (1—2 jours) dans les deux régions. Ils affectent une plus grande partie des OM que des VG. Les EPEs dans les VG apparaissent majoritairement lors de la situation synoptique d’un front froid ondulant ; dans les OM lors des cyclones générés par une goutte d’air froid isolé et dont le trajet est souvent qualifié de « Vb » (c.a.d. allant de la Méditerranée vers le nord-est). Toutefois deux des dix plus forts EPEs des VG sont apparus lors de situations de cyclones Vb. / The thesis focuses on extreme precipitation in the Ore Mountains (OM) and the Vosges Mountains (VG) in Central Europe. The Weather Extremity Index (WEI) was employed on daily precipitation totals from 167 stations in OM and 168 stations in VG. The WEI enabled to select the 54 strongest extreme precipitation events (EPEs) in OM and VG. Many characteristics of the EPEs were investigated in the thesis. The results showed that the EPEs lasted mostly 1—2 days in both regions, whereas affected a larger part of OM as compared to VG. Stationary fronts occurred most frequently during EPEs in VG, while lows in OM. Lows in OM during EPEs often originated from cold air cut-off and most of them had Vb track from Mediterranean towards the northeast. Even during two of the ten strongest EPEs in VG, the extreme precipitation was related to Vb lows, this time strongly deflected westwards.

La combustion de la biomasse, en particulier le chauffage au bois résidentiel, constitue une source d’émissions fortement contributrice aux concentrations de PM10 en hiver, de façon globale, en Europe. Afin de réduire les émissions de cette source, un programme de large envergure de renouvellement d’appareils de chauffage au bois non-performant, le Fonds Air Bois a été lancé depuis 2013 dans la vallée de l’Arve. Cette action étant amenée à se multiplier en France, l’évaluation de son effet sur les concentrations atmosphériques constitue un enjeu pour les futures politiques de gestion de la qualité de l’air. Le programme PRIMEQUAL DECOMBIO (2013-2018) a été proposé afin de mettre en place des méthodologies permettant d’évaluer l’impact de cette opération sur les concentrations de PM10 à partir de mesures de terrains. Ce programme DECOMBIO, qui a servi de cadre à ce travail de thèse, s’est appuyé sur la confrontation durant 4 hivers des mesures en continu des PM10 issus de la combustion de la biomasse (noté PM10wb), des conditions météorologiques, et des variations d’émissions liées au renouvellement des appareils. Pour répondre à cet enjeu, les travaux de cette thèse ont eu pour objectif de développer des méthodes permettant de prendre en compte l’influence des conditions atmosphériques sur les concentrations hivernales de PM10 et d’évaluer les paramètres et facteurs d’incertitudes permettant de comparer les variations estimées d’émissions de PM10wb avec celles des concentrations mesurées de PM10wb au cours des 4 hivers.Ces travaux se sont appuyés sur d’importantes bases de données de mesures chimiques et météorologiques constitués durant 4 hivers (13-14 à 16-17) au niveau de 3 sites dans la vallée de l’Arve. Par ailleurs, les données techniques issues des dossiers de renouvellements des appareils pour bénéficier de l’aide financière du Fonds Air Bois nous ont été communiquées, nous permettant de spatialiser et temporaliser les réductions des émissions de PM10wb estimées provenant de ces remplacements d’appareils. L’état de la stabilité thermique de l’atmosphère, paramètre essentiel pour déterminer les épisodes d’inversions thermiques, a été suivi en continu grâce à un système peu onéreux de capteurs de température sous abris installés le long des pentes. Ces mesures ont permis de montrer que les conditions météorologiques locales dans ces vallées encaissées sont le facteur premier conditionnant les concentrations atmosphériques. Une classification automatique des conditions atmosphériques a été établie, permettant de s’affranchir de cette variabilité et de comparer les concentrations pour des conditions atmosphériques similaires entre les différents hivers. L’innovation de cette approche repose principalement sur la prise en compte du degré d’influence de variables météorologiques et de paramètres liés à l’intensité des émissions. Une diminution graduelle des concentrations de PM10wb au cours des hivers a ainsi pu être constatée au niveau des 3 sites pour certaines classes de conditions atmosphériques, résultat consolidé par la diminution concomitante des traceurs de la combustion de la biomasse à la masse des PM10. Afin de préciser ces résultats, nous nous sommes intéressés à estimer la réduction des émissions de PM10 des remplacements d’appareils au niveau des sites de mesures et leurs incertitudes.Au terme de ce travail et du programme DECOMBIO, nous avons été à même de développer et de valider plusieurs outils méthodologiques applicables dans l’évaluation de futurs fonds air bois (utilisation de capteurs le long des pentes, classification météorologique adaptée à la qualité de l’air, estimation des incertitudes sur les émissions de parc de dispositifs de chauffage au bois). Ces bases solides nous ont permis de mieux comprendre les mesures réalisées sur les PM atmosphériques, et leurs liens avec les estimations des émissions. / Biomass burning, particularly residential wood burning, is a source of atmospheric particles that contributes significantly to winter PM10 levels globally in Europe. In order to reduce emissions from this source, a large-scale program for the renewal of non-efficient wood-burning appliances, the “Fonds Air Bois” has been launched since 2013 in the Arve Valley. The assessment of its impact on atmospheric concentrations is an issue for future air quality management policies. The research DECOMBIO program (2013-2018) has been proposed to evaluate the impact of this operation on PM10 concentrations from measurements. This DECOMBIO program, which includes these thesis works, was based on the confrontation during 4 winters of continuous measurements of PM10 resulting from biomass burning (noted PM10wb), weather conditions, and emissions variations related to appliances renewal. To answer this challenge, the aim of this thesis was to develop methods to take into account the influence of atmospheric conditions on winter PM10 concentrations and to evaluate the parameters and uncertainties that make it possible to compare the estimated PM10wb emission variations with those of the measured PM10wb concentrations during the 4 winters.This work was based on large datasets of chemical and meteorological measurements made during 4 winters (13-14 to 16-17) at 3 sites in the Arve Valley. In addition, the technical data from wood appliances renewal files was provided to us, allowing us to spatially and temporally estimated reductions of PM10wb emissions from these appliances replacements. The state of atmospheric stability, an essential parameter for determining episodes of temperature inversions, has been continuously monitored thanks to an inexpensive system of sheltered temperature sensors installed along the slopes. These measurements have shown that local weather conditions in these valleys are the primary factor conditioning atmospheric concentrations. An automatic weather types classification has been established, making it possible to overcome this variability and to compare the concentrations for similar atmospheric conditions between the different winters. The innovation of this approach is mainly based on taking into account the degree of influence of meteorological variables and parameters related to the intensity of emissions. A gradual decrease of PM10wb concentrations during winters was thus observed at the 3 sites for certain weather types, a result consolidated by the concomitant decrease in tracer biomass combustion at the mass of PM10. To clarify these results, we were interested in estimating the reduction of PM10 emissions from device replacements at measurement sites and their uncertainties.At the end of this work and of the DECOMBIO program, we have been able to develop and validate several methodological tools applicable in the evaluation of future “fonds air bois” (use of sensors along the slopes, meteorological classification adapted to the quality of the air, estimation of uncertainties on wood appliances renewable emissions). This solid foundation has allowed us to better understand the measurements made on atmospheric PM, and their relationship to emission estimates.

L'objet de cette thèse concerne la proposition de modèles paramétriques des processus de branchement uni et multi-types. Nous mettons en valeur l’intérêt de la théorie des processus de branchement et du développement nécessaire des différents outils et de concepts propres à plusieurs domaines. Pour cela, nous commençons par rappeler quelques définitions et résultats de la théorie des processus de branchement uni et multi-types, et ce en temps discret comme en temps continu. On se consacre par la suite au développement méthodologique de ces modèles.Dans la deuxième partie de ce mémoire, nous étudions seulement l'évolution d’une seule population en temps continu, et présentons quelques familles de lois paramétriques, associées à des processus de branchement homogènes particuliers. Des méthodes récursives de calcul, ainsi que des propriétés pertinentes, concernant ces distributions de probabilité, sont dérivées des fonctions génératrices satisfaisant certaines équations aux dérivées partielles linéaires précisés. Les familles proposées seront utiles à la modélisation de systèmes plus cohérents en dynamique de populations, puisqu'on y montre que les hypothèses usuelles de distributions de Poisson ne peuvent être argumentées.Dans la troisième partie, nous étudions le comportement de l'évolution de plusieurs populations en interactions. Nous y présentons aussi des modèles paramétriques de lois, associés à des processus de branchement multi-types en temps continu et homogènes en temps. Nous considérons ensuite un modèle particulier, où une population ``mère donneuse" autonome alimente en individus K populations filles, qui sont, elles, en interaction. Ce modèle est bien adapté à l'étude des systèmes dynamiques des populations en interaction qui reste à la fois simple, mais riche en variétés de comportement. L'étude du système multi-types se fait via l'évolution des fonctions génératrices de la loi multidimensionnelles des effectifs. Pour cela, utilisant les équations différentielles ordinaires et aux dérivées partielles, nous établissons les équations implicites des distributions temporelles et multidimensionnelles, et discutons des méthodes analytiques ou numériques de leur résolution. Nous développons ensuite des exemples de modèles et en particulier celui concernant 3 et 4 populations.En conclusion, nous argumentons la pertinence de cette approche, et l’interprétation des paramètres, qui sont d'un grand intérêt pour le développement de méthodes d'inférence statistique, pour de nombreux domaines d'applications. / This thesis aims to propose parametric models for single and multi-type branching processes. The importance of the theory of branching processes is pointed out. Hence, developing various tools and specific concepts in several domains is important for applications. For those purpose, we recall some definitions and results of the single-and-multi-type branching processes theory in discrete and continuous case. Afterward, we focus on the methodological development of those models.In the second part, the evolution of a single population in the continuous case has been studied. Then, some parametric distribution families associated to particular branching mechanisms are explored. Recursive computational procedure and relevant properties concerning the associted probability distributions are derived from generating functions that satisfy specified linear partial differential equations. The suggested families are useful for the modeling of systems that are more coherent with population dynamics, contrarily to the usual hypothesis of Poisson distributions, that cannot be argued.In the third part, the evolution of different populations with interaction is explored. Similarly, some parametric models of homogeneous multi-type branching processes in continuous time are proposed. Afterwards, we consider a particular model where an autonomous donor parent population feeds in individuals, K types progeny populations that interacts. This model is well adapted to the study of dynamical systems of populations in interaction. This simple model, but has a rich variety of behaviors.The study of such systems is also done regarding the evolution of generating functions of multidimensional ndividual countrings. To achievea such study, ordinary and partial differential equations are used to establish the implicit equations of temporal and multidimensional distributions. Analytical and numerical methods for equation resolution are then discussed, and examples of particular models are developed.In conclusion, the relevancy of this approach is argumed, censidering parameters interpretation in the development of inference methods for the various applied domains.

Depuis 2006, à EDF, les études de crues extrêmes sont réalisées avec la méthode SCHADEX (Simulation Climato-Hydrologique pour l'Appréciation des Débits EXtrêmes). Elle s'appuie sur un modèle probabiliste MEWP (distribution saisonnière utilisant une classification par type de temps) pour décrire l'aléa pluie et sur une simulation stochastique croisant l'aléa pluie et l'aléa de saturation du bassin. Les approches par simulation, type SCHADEX, ont montré de bonnes performances pour estimer les distributions de crues extrêmes (projet ANR ExtraFlo , 2013). Cependant, l'utilisation de SCHADEX en l'absence de données (pluie, température, débit) sur le bassin à étudier reste problématique. Cette thèse propose une adaptation de la méthode en site non jaugé en essayant de conserver ses points forts, à savoir: - une structuration spatiale et probabiliste des précipitations conditionnée par les types de temps. - un croisement des aléas pluie et saturation du bassin par simulation stochastique. Ce travail s'est limité au pas de temps journalier afin d'aborder la problématique de régionalisation avec un maximum de données. La démarche s'est alors articulée autour de quatre grands axes: - proposer une méthode de régionalisation des précipitations journalières extrêmes ponctuelles et construire des cartes de pluies aux temps de retour remarquables. Évaluer l'intérêt d'une classification par type de temps pour la régionalisation des distributions de pluies extrêmes et qualifier l'interpolateur de pluie SPAZM pour l'estimation des pluies extrêmes. - s'intéresser à la construction de pluies de bassin (ou pluies spatiales) et en particulier à l'impact des choix de construction de cette pluie sur l'estimation des précipitations extrêmes concernant le bassin. - développer une méthode de simulation stochastique régionale permettant de proposer une distribution de débits journaliers issue d'un croisement des aléas pluies et saturation du bassin. - étudier le passage de la distribution des débits journaliers à la distribution des débits de pointe. Les principaux apports de cette thèse sont les suivants: - la prise en compte des types de temps permet d'améliorer la description des structures spatiales des précipitations extrêmes. - l'information apportée par les pluies SPAZM se révèle être précieuse pour l'estimation des pluies extrêmes en site non jaugé. - une étude de sensibilité du calcul de la pluie spatiale en fonction du nombre de postes utilisés (comparaison des pluies SPAZM et Thiessen) donne une indication sur le biais d'estimation. - le générateur de champs de pluie par bandes tournantes SAMPO permet d'étudier l'abattement sur les précipitations extrêmes et de mettre en place un modèle de correction pour les quantiles élevés des pluies spatiales SPAZM. - une nouvelle méthode de simulation stochastique peu paramétrée mais analogue à la méthode SCHADEX (croisement d'un aléa pluie et d'un aléa de saturation du bassin pour produire une distribution des débits journaliers) est proposée pour l'estimation en site non jaugé. - enfin, un travail préliminaire donne des premiers éléments sur le passage à la distribution des débits de pointe par un générateur d'hydrogrammes s'adaptant à la séquence des débits journaliers simulés. Tous ces développements et conclusions sont détaillés et justifiés dans le mémoire de thèse. / Since 2006, at EDF, extreme flood estimations are computed with the SCHADEX method (Climatic-hydrological simulation of extreme floods). This method relies on a MEWP probabilistic model (seasonal rainfall distribution using a weather pattern concept) and on a stochastic simulation to cross rainy events hazard and catchment saturation states. Simulation approaches, as SCHADEX, have shown good performances to estimate extreme flood distributions. However, the use of SCHADEX method without data for a considered catchment (rain, temperature, runoff) remains a main issue. This thesis suggests an adaptation of the method in ungauged context, trying to keep the key points of the SCHADEX method: - spatial and probabilistic structure of rainfall conditioned by weather patterns. - a cross of rainfall and catchment saturation hazards by stochastic simulation. This work is limited to a daily step to address the issue of regionalization with a maximum of data. The approach is then structured around four main points: - regionalize punctual daily extreme precipitations and construct maps of return period rainfalls. Evaluate the contribution of a weather type classification for the regionalization of extreme rainfall distributions and qualify the SPAZM interpolator for the estimation of extreme rainfall. - wonder about the construction of an areal rainfall and in particular about the impact of its construction choices on the estimation of extreme precipitations. - develop a regional stochastic simulation method to estimate a distribution of daily runoffs which crosses rainy events and catchment saturation hazards. - study the transposition from a daily runoff distribution to a peak flow distribution. The main contributions of this thesis are: - taking into account the weather types improves the description of spatial patterns of extreme precipitations. - information provided by the SPAZM rainfall interpolator proves to be valuable for the estimation of extreme rainfall in ungauged site. - a sensitivity analysis of the calculation of the areal rainfall based on the number of stations used (comparison SPAZM and Thiessen areal rainfalls) gives an indication of the estimation bias. - the SAMPO rainfall generator used to study the areal reduction factor of extreme precipitation and implement a correction model for high quantiles of SPAZM areal rainfall. - a simplified method of stochastic simulation similar to SCHADEX method (cross between a rainfall hazard and a catchment saturation hazard) is developed to produce a distribution of daily flows in ungauged site. - finally, preliminary work provides a way for the transition to the peak flow distribution using a hydrograph generator adapted to the sequence of daily simulated runoffs. All these developments and conclusions are detailed and justified in the thesis.STAR