Les modèles régionaux de climat (MRC) sont maintenant reconnus comme des outils efficaces pour augmenter la résolution des simulations climatiques à un ordre d'environ 50 km. Cette résolution est jugée nécessaire pour décrire de nombreux impacts liés aux changements climatiques. Un modèle régional de climat (MRC) performe une simulation climatique sur une sous-région du globe. Pour cette raison, un MRC doit utiliser des données pilotes au pourtour de la sous-région pour tenir compte de la circulation atmosphérique qui parcourt le globe. Les données provenant d'un MRC sont de plus en plus utilisées par les décideurs pour prendre des mesures d'adaptation adéquates en fonction des changements climatiques projetés. Pour cette raison, les scientifiques qui livrent les données climatiques aux décideurs doivent fournir les données les plus précises possibles. L'une des incertitudes des projections de changements climatiques produites par les MRC est associée au comportement chaotique du système climatique qui est simulé. En raison de ce comportement, le climat simulé avec un MRC peut diverger d'un autre climat simulé lancé avec des conditions initiales légèrement différentes tout en étant en accord avec les mêmes forçages imposés. La variabilité mesurée entre les simulations lancées avec différentes conditions initiales est appelée variabilité interne. La variabilité interne des MRC est étudiée depuis quelques années. Ces études sont généralement limitées par les ensembles de simulations nécessaires au calcul de la variabilité interne. Ces ensembles comportent généralement peu de simulations qui sont courtes et qui sont intégrées sur de petits domaines. Le premier objectif de cette thèse consistait à vérifier les hypothèses émises dans les articles précédents sur la variabilité interne des MRC en utilisant un ensemble de simulations actuel. Afin de répondre à cet objectif, un ensemble comportant dix simulations de dix ans couvrant l'Amérique du nord a été réalisé avec le modèle régional canadien du climat. L'évolution temporelle de la variabilité interne de cet ensemble pour la pression au niveau moyen de la mer (PNM) et pour la température au niveau de l'abri (TA) révèle un cycle annuel faible avec des valeurs en hiver et au printemps légèrement plus élevées. Ce résultat, qui se distingue de celui des études précédentes; suggère que l'augmentation de la dimension du domaine diminue l'efficacité du contrôle du pilote sur le MRC, ce qui augmente la variabilité interne. Pour les variables étudiées, la variabilité interne augmente généralement d'ouest en est du domaine selon la circulation générale vers l'est. Une comparaison de la variabilité interne avec la variabilité temporelle montre que la variabilité interne pour la PNM est près de son maximum en été dans le nord-est du domaine. Une comparaison du climat de dix ans pour la TA en été de chacune des simulations avec la moyenne d'ensemble montre que la variabilité interne peut avoir un impact important sur le climat simulé. Le deuxième objectif de cette thèse consistait à trouver un outil capable de quantifier le contrôle du pilote sur une simulation effectuée avec un MRC. Cet outil est un traceur qui calcule le temps de résidence des parcelles atmosphériques à l'intérieur du domaine d'un MRC. Ce traceur a été utilisé pour première fois dans l'ensemble de simulations décrit précédemment. Les diagnostiques du climat généré par l'ensemble montre le bon fonctionnement du traceur. Le temps de résidence est plus élevé en été qu'en hiver en liaison avec la circulation atmosphérique qui est plus rapide en hiver. Le temps de résidence augmente d'ouest en est à l'intérieur du domaine aussi en relation avec la circulation atmosphérique générale vers l'est. Un diagramme de disperison généré avec les distributions spatiales de la variabilité interne relative des variables étudiées et du temps de résidence montre que la variabilité interne augmente linéairement avec le temps de résidence similairement en été qu'en hiver. Ce résultat appuie plusieurs études précédentes qui proposaient un lien entre la circulation atmosphérique et la variabilité interne. D'après la relation trouvée, le temps de résidence peut être utilisé comme un indicateur quantitatif du contrôle des données pilotes exercé sur un MRC. On envisage que cet outil sera utile pour les analyses futures effectuées avec les MRC. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Variabilité interne, Modélisation régionale du climat, Ensemble de simulations, Temps de résidence, Climat nord-américain.

Les Modèles Régionaux du Climat (MRC) ont longtemps été considérés comme des outils performants, de haute résolution à aire limitée permettant une meilleure compréhension du climat passé, présent et futur. Le plus souvent, les MRC sont pilotés à leurs frontières latérales par des Modèles Globaux du Climat (MGC) de basse résolution, et qui couvrent le reste du globe terrestre. Ces modèles ont la particularité de reproduire différentes solutions de l'état de l'atmosphère à cause de leur sensibilité aux conditions initiales (CI). Outre la solution due aux forçages externes (forçage aux frontières latérales et le forçage de surface), les MRC reproduisent une seconde solution associée à la variabilité interne (VI) du modèle du fait de leur sensibilité aux CI. Cette sensibilité est en grande partie causée par la nature non-linéaire de la physique et la dynamique atmosphériques. À l'instar de précédentes études, nous analysons la variabilité interne du Modèle Régional Canadien du Climat (MRCC) en utilisant un ensemble de simulations aux CI différentes. Ce projet de recherche consiste à effectuer un diagnostic quantitatif des termes dynamique et diabatique qui contribuent à la variation temporelle et la distribution spatiale de la VI. L'originalité de ce travail est qu'il propose des équations bilans de la VI pour deux variables atmosphériques: la température potentielle et le tourbillon relatif. Les deux équations établies présentent des termes similaires, notamment les termes relatifs au transport de la VI par l'écoulement de la moyenne d'ensemble et la covariance des fluctuations agissant sur le gradient de la moyenne d'ensemble de la variable considérée. Concrètement, nous avons utilisé un ensemble de 20 simulations aux CI différentes pour analyser les caractéristiques de la VI, afin de déterminer une période et une région d'intérêt caractérisées par une forte croissance de la VI. Ensuite, nous avons validé les équations établies en montrant l'égalité entre les deux parties de chaque équation. Enfin, une étude de bilan a permis d'évaluer la contribution des différents termes au développement et à l'évolution de la VI. Les résultats révèlent que les termes dominants responsables de l'accroissement de la VI sont soit les termes de covariance impliquant les fluctuations de température potentielle et de chauffage diabatique, ou les termes de covariance de fluctuations inter-membres agissent sur le gradient de la moyenne d'ensemble de la variable considérée. Les résultats révèlent également que les épisodes de fortes diminutions de la VI se produisent lorsque les maxima de la VI sont proches de la frontière nord-est, indiquant leur transport en dehors de la zone d'étude par l'écoulement moyen. Enfin, nos résultats ont montré qu'en moyenne, les termes du troisième ordre sont négligeables, mais peuvent devenir importants lorsque la VI est importante. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Équation de la variabilité interne, modèle régional de climat, ensemble de simulations, climat de l'Amérique du Nord

L'Arctique montre la plus grande vulnérabilité de toutes les régions de la Terre aux changements climatiques. Pour cette raison, il est très important de simuler avec précision les différents modes climatiques de cette région. Une expérience testant huit modèles différents montre de grandes différences entre des simulations effectuées par ces modèles au-dessus l'Arctique (Rinke et al. 2006). La sensibilité des résultats de modèles régionaux à la taille du domaine est un phénomène bien connu aussi (Leduc et Laprise, 2009): le domaine doit être suffisamment grand pour permettre le développement de fines échelles, mais suffisamment petit pour que les conditions aux frontières latérales (CFL) contrôlent l'intégration. Pour examiner la variabilité interne (VI) du Modèle Régional Canadien du Climat (MRCC) et l'influence de la taille de domaine sur une simulation, nous avons choisi d'utiliser l'approche de l'expérience du Grand-Frère (EGF) (« Big-Brother Experiment », BBE; Denis et al. 2002). EGF permet ici de comparer les simulations effectuées sur les différentes tailles de domaine et d'étudier comment cela affecte les résultats. Aussi, pour un domaine donné, la VI peut être étudiée par l'introduction de petites différences dans les conditions initiales dans un ensemble des simulations. L'avantage qui provient de l'utilisation de EGF est la possibilité d'étudier le comportement de la petite échelle du climat, c'est-à-dire de la valeur ajoutée d'un MRC, qui est absente dans les CFL, et d'évaluer la nature et la magnitude de la VI pour le domaine d'étude. Les résultats de notre expérience sont en accord avec les conclusions des études précédentes: la VI est plus importante sur un domaine d'intégration plus grand. L'évolution temporelle de la VI pour deux tailles de domaine est bien différente et dépend fortement de la situation synoptique. La variance transitoire est fortement sous-estimée par la moyenne de l'ensemble au-dessus d'un domaine plus grand. Néanmoins, le modèle sous-estime la petite échelle pour le plus petit LB, surtout en altitude dans la région caractérisée par les vents plus forts, tandis que le plus grand domaine permet au modèle le développement d'une solution moins dépendante des conditions aux frontières latérales. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Modèle régional du climat, Expérience « Big-Brother », Sensibilité à la taille du domaine, Ensemble des simulations, Variabilité interne.

L'Afrique de l'Ouest (AO) est une région continentale des tropiques caractérisée par une intense variation des précipitations. Les études récentes ont permis d'améliorer la compréhension de la dynamique de la mousson africaine. Ces études ont contribué à la sécurité alimentaire, à la santé publique et à la stabilité politique de la région. L'AO est touchée par des aléas climatiques extrêmes, notamment les sécheresses et les inondations, qui affectent principalement les populations majoritairement rurales. Les conséquences socioéconomiques et sanitaires (p. ex., la famine et les épidémies) ont des impacts énormes sur le quotidien des populations. Les options d'adaptation ont été prises, mais s'avèrent insuffisantes pour la sécurité alimentaire, les ressources en eau et les problèmes de santé. Ces changements poussent de nombreuses personnes à se déplacer vers des régions sécuritaires. Les études ont montré une variation significative du climat passé, actuel et futur de l'Afrique. Ces changements futurs projetés auront des effets importants sur les différents secteurs tels l'économie, la politique et la santé. Par conséquent, une meilleure connaissance des projections climatiques s'impose. Ainsi, les modèles climatiques globaux (MCG) sont utilisés pour étudier et faire des projections du climat de l'AO. La résolution spatiale des MCG est acceptable pour étudier la circulation et les changements climatiques à l'échelle planétaire, mais insuffisante à l'échelle régionale. Compte tenu de ces insuffisances, des études récentes ont été effectuées avec les modèles régionaux du climat (MRC). Les MRC sont toutefois sensibles aux conditions initiales, aux frontières latérales, à la région et à la taille du domaine. Dans la poursuite d'études précédentes sur la variabilité inter-membre, cette étude évalue les simulations effectuées avec le Modèle Régional Canadien du Climat version 5 (MRCC5), quant à l'habileté du modèle à reproduire le climat observé, ainsi que la sensibilité des simulations à la localisation du domaine de calcul. Un ensemble de quatre simulations a été réalisé pour l'année 2006, avec une résolution horizontale de 22 km (0.2°). Les simulations se distinguent les unes des autres uniquement par la localisation géographique du domaine d'intégration. Pour les précipitations, les résultats montrent que les zones convectives sont les plus sensibles à la localisation du domaine, révélant que la position du domaine influence les résultats. En général, le MRCC5 représente bien la distribution spatiale des précipitations et sa variabilité inter-saisonnière. Les faiblesses principales sont la surestimation des précipitations sur la Côte de Guinée, mais une sous-estimation dans le Sahel. Les températures simulées par le MRCC5 sont semblables à celles des réanalyses, mais la bande de température chaude dans le Sahara est plus étroite et s'étend moins vers le nord. L'advection de l'air froid d'Europe est plus forte dans les simulations que les réanalyses. Le MRCC5 présente un biais froid sur Fouta Djalon, le plateau de Jos, le massif du Hoggar et les montagnes camerounaises. Il faut remarquer que, pour le champ de température, la variabilité à la localisation du domaine (VL) est inférieure à la variabilité transitoire (VT), contrairement au cas des précipitations où elles étaient du même ordre de grandeur. Ce qui suggère que les conditions aux frontières latérales limitent la croissance de la VL de la température, mais contrôlent peu les précipitations. ______________________________________________________________________________

La variabilité interne (VI) est une propriété des systèmes chaotiques qui fait que des simulations numériques lancées de conditions initiales différant même de façon minime entre elles, vont éventuellement diverger dans le temps. Des études antérieures ont montré que la VI d'un modèle régional du climat (MRC) avait un caractère épisodique dépendant des conditions synoptiques du moment. Ce projet a pour but principal de vérifier l'hypothèse selon laquelle les maxima notés dans la variation temporelle de la VI sont dus à la croissance rapide des perturbations développées dans des régions atmosphériques dynamiquement instables. L'élément déclencheur est représenté par des instabilités hydrodynamiques résultant de conversions barocline ou barotrope d'énergie. Pour décrire l'espace instable des perturbations, nous avons fait appel à la technique des vecteurs singuliers (VS). Un ensemble de 21 simulations qui diffèrent seulement dans les conditions initiales a été réalisé sur le continent nord-américain et la VI a été exprimée en termes d'énergie totale des perturbations par rapport à une simulation de référence. Plusieurs séries de VS ont été calculées pour trouver les perturbations avec la plus rapide croissance linéaire par rapport à la norme de l'énergie totale sur une période de 36 heures. L'analyse de la variation totale en 36 heures a montré que la croissance associée au maximum principal de VI était expliquée dans une proportion de 73% par les dix premiers VS et dans une proportion de 51 % par le "premier" VS, c'est à dire celui croissant le plus rapidement. Les VS ainsi identifiés avaient des structures de petite échelle spatiale, de forts taux de croissance dans le temps, et ils se développaient à l'intérieur d'un environnement constitué de perturbations matures avec des faibles taux de croissance. Pour un épisode de forte VI, une très grande ressemblance a été trouvée entre la structure des perturbations dans les simulations du MRCC et le VS avec la croissance la plus rapide après 24 à 36 heures d'intégration du modèle linéaire tangent. Au temps initial, le premier VS avait une structure verticale inclinée vers ouest et l'énergie totale était dominée par la composante de l'énergie potentielle. Au temps final, cette inclinaison avait beaucoup diminué et l'énergie totale était alors dominée par l'énergie cinétique, indiquant que la conversion barocline représentait le processus dominant dans l'augmentation de la VI pour cette période. Pour d'autres périodes dominées par les sources d'instabilité, le pourcentage de la variation totale en 36 heures expliqué par les 4 ou 5 premiers VS variait entre 36% et 85%. Toutefois, dans ces cas, le pourcentage n'était pas dominé par le premier VS. Nous avons montré également que dans les périodes dominées par le transfert de VI à l'extérieur du domaine, la projection sur les VS était très petite malgré la présence de sources de VI à l'intérieur du domaine d'analyse. Le fait que ces sources de VI ne soient pas représentées par les plus rapides VS indique qu'elles peuvent être causées par des processus non linéaires et qu'un nombre plus grand de VS est nécessaire pour leur décomposition. Le dernier volet de cette thèse étudie la possibilité d'utiliser le premier VS pour estimer les variations temporelles de la VI dans les simulations d'un MRC. Nos résultats montrent que le premier VS à lui seul ne permet pas d'anticiper des périodes caractérisées par une forte croissance de la VI dans les simulations du modèle. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Variabilité interne, modèle régional du climat, vecteur singuliers, modèle linéaire tangent, instabilité hydrodynamique.

L'étude porte sur l'Afrique australe et surtout l'Afrique du Sud, pays bénéficiant d'un excellent réseau d'observations. La capacité du modèle climatique régional WRF à simuler la pluviométrie et la circulation atmosphérique y est évaluée pendant le coeur de la saison des pluies d'été austral (décembre à février : DJF) au travers de trois séries de simulations. WRF est forcé toutes les 6h par les réanalyses ERA40. La résolution horizontale est de 35km. La première série détermine la sensibilité aux paramétrisations de la convection atmosphérique, de la couche limite planétaire et de la microphysique nuageuse. La saison étudiée (DJF 1993-94 : DJF94) est représentative de la climatologie des pluies sud-africaines. La géographie des cumuls saisonniers, leurs intensités et leurs caractéristiques intrasaisonnières sont surtout contrôlées par la paramétrisation de la convection atmosphérique. En Afrique du Sud, les biais saisonniers varient du simple au double en fonction des trois schémas testés (Kain- Fritsch, Betts-Miller-Janjic et Grell-Dévényi). Les schémas de couche limite et de microphysique génèrent des différences moindres, mais pouvant se cumuler avec celles liées à la convection. La deuxième série évalue l'état saisonnier moyen et les structures pluviométriques quotidiennes récurrentes sur la période 1971-1999 au travers d'une configuration physique satisfaisante sur DJF94. La climatologie de la pluviométrie sud-africaine réanalysée (ERA40) est nettement améliorée par WRF, notamment en raison d'une dépression subcontinentale plus creusée au-dessus de l'Angola. Excepté les jours faiblement pluvieux, WRF restitue les principales structures pluviométriques observées au pas de temps quotidien, malgré des décalages fréquents de l'ordre de quelques jours. La troisième série quantifie la variabilité interne à partir de deux simulations d'ensemble de 30 membres. La variabilité interne est modulée par la paramétrisation de la convection atmosphérique (Kain-Fritsch en générant plus que Grell-Dévényi). De fortes similitudes sont néanmoins trouvées. Elles concernent la géographie de la variabilité interne, maximale le long d'une large bande étendue du nord-ouest au sud-est du domaine au pas de temps quotidien. Les incertitudes concernent la morphologie et la vitesse de propagation des bandes pluvieuses synoptiques, de l'ordre de 1 000 km dans le sens zonal pour les bandes pluvieuses tropicales-tempérées. Ces incertitudes sont indicatives des limites théoriques de la prévision opérationnelle en raison de la composante chaotique de l'atmosphère sur la région.

Le niveau de la mer est une des variables climatiques essentielles dont la variabilité résulte de nombreuses interactions complexes entre toutes les composantes du système climatique sur une large gamme d'échelles spatiales et temporelles. Au cours du XXème siècle, les mesures marégraphiques ont permis d'estimer la hausse du niveau de la mer global entre 1,6 mm/an et 1,8 mm/an. Depuis 1993, les observations faites par les satellites altimétriques indiquent une hausse du niveau de la mer plus rapide de 3,3 mm/an. Grâce à leur couverture quasi-globale, elles révèlent aussi une forte variabilité du niveau de la mer à l'échelle régionale, parfois plusieurs fois supérieure à la moyenne globale du niveau de la mer. Compte tenu de l'impact très négatif de l'augmentation du niveau de la mer pour la société, sa surveillance, la compréhension de ses causes ainsi que sa prévision sont désormais considérées comme des priorités scientifiques et sociétales majeures. Dans cette thèse, nous validons d'abord les variations du niveau de la mer mesurées par la nouvelle mission d'altimétrie satellitaire, SARAL-AltiKa, en comparant les mesures avec celles de Jason- 2 et des marégraphes. Un autre volet de cette première partie de thèse a consisté à estimer les parts respectives des facteurs responsables des variations du niveau de la mer depuis 2003 en utilisant des observations issues de l'altimétrie satellitaire (missions altimétrique Jason-1, Jason-2 et Envisat), de la mission GRACE, et des profils de température et salinité de l'océan par les flotteurs Argo. Une attention particulière est portée à la contribution de l'océan profond non 'vue' par Argo. Nous montrons que les incertitudes dues aux approches du traitement des données et aux erreurs systématiques des différents systèmes d'observation nous empêchent encore d'obtenir des résultats précis sur cette contribution. Dans la deuxième partie de la thèse, en utilisant les données de reconstruction du niveau de la mer dans le passé, nous étudions la variabilité régionale du niveau de la mer et estimons sa hausse totale (composante régionale plus moyenne globale) de 1950 à 2009 dans trois régions vulnérables: l'océan Indien, la mer de Chine méridionale et la mer des Caraïbes. Pour les sites où l'on dispose de mesures du mouvement de la croûte terrestre par GPS, nous évaluons la hausse locale du niveau de la mer relatif (hausse du niveau de la mer totale plus mouvement de la croûte locale) depuis 1950. En comparant les résultats de ces trois régions avec une étude précédente sur le Pacifique tropical, nous constatons que le Pacifique tropical présente la plus forte amplitude des variations du niveau de la mer sur la période d'étude. Dans la dernière partie de la thèse, nous nous concentrons par conséquent sur le Pacifique tropical. Nous analysons les rôles respectifs de la dynamique océanique, des modes de variabilité interne du climat et du forçage anthropique sur les structures de la variabilité régionale du niveau de la mer du Pacifique tropical depuis 1993. Nous montrons qu'une partie importante de la variabilité régionale du niveau de la mer du Pacifique tropical peut être expliquée par le mouvement vertical de la thermocline en réponse à l'action du vent. En tentant de séparer le signal correspondant au mode de variabilité interne du climat de celui de la hausse régionale du niveau de la mer dans le Pacifique tropical, nous montrons également que le signal résiduel restant (c'est-à-dire le signal total moins le signal de variabilité interne) ne correspond probablement pas à l'empreinte externe du forçage anthropique. / Sea level is an integrated climate parameter that involves interactions of all components of the climate system (oceans, ice sheets, glaciers, atmosphere, and land water reservoirs) on a wide range of spatial and temporal scales. Over the 20th century, tide gauge records indicate a rise in global sea level between 1.6mm/yr and 1.8 mm/yr. Since 1993, sea level variations have been measured precisely by satellite altimetry. They indicate a faster sea level rise of 3.3 mm/yr over 1993-2015. Owing to their global coverage, they also reveal a strong regional sea level variability that sometimes is several times greater than the global mean sea level rise. Considering the highly negative impact of sea level rise for society, monitoring sea level change and understanding its causes are henceforth high priorities. In this thesis, we first validate the sea level variations measured by the new satellite altimetry mission, SARAL-AltiKa by comparing the measurements with Jason-2 and tide gauge records. We then attempt to close the global mean sea level budget since 2003 and estimate the deep ocean contribution by making use of observational data from satellite altimetry, Argo profiles and GRACE mission. We show that uncertainties due to data processing approaches and systematic errors of different observing systems still prevent us from obtaining accurate results. In the second part of the thesis, by making use of past sea level reconstruction, we study the patterns of the regional sea level variability and estimate climate related (global mean plus regional component) sea level change over 1950-2009 at three vulnerable regions: Indian Ocean, South China and Caribbean Sea. For the sites where vertical crustal motion monitoring is available, we compute the total relative sea level (i.e. total sea level rise plus the local vertical crustal motion) since 1950. On comparing the results from these three regions with already existing results in tropical Pacific, we find that tropical Pacific displays the highest magnitude of sea level variations. In the last part of the thesis, we therefore focus on the tropical Pacific and analyze the respective roles of ocean dynamic processes, internal climate modes and external anthropogenic forcing on tropical Pacific sea level spatial trend patterns since 1993. Building up on the relationship between thermocline and sea level in the tropical region, we show that most of the observed sea level spatial trend pattern in the tropical Pacific can be explained by the wind driven vertical thermocline movement. By performing detection and attribution study on sea level spatial trend patterns in the tropical Pacific and attempting to eliminate signal corresponding to the main internal climate mode, we further show that the remaining residual sea level trend pattern does not correspond to externally forced anthropogenic sea level signal. In addition, we also suggest that satellite altimetry measurement may not still be accurate enough to detect the anthropogenic signal in the 20 year tropical Pacific sea level trends.