Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Aérosols marins – Modèles mathématiques“

Le modèle SeaCluse décrit les interactions non linéaires entre les aérosols marins et les champs scalaires de température et d'humidité dans la couche de surface atmosphérique marine. Les buts de cette étude sont l'amélioration et l'exploitation du modèle. La principale amélioration est l'extension du domaine de calcul dans la couche limite atmosphérique marine pour une libre dispersion des gouttes dans la basse atmosphère. Elle est réalisée par le préprocesseur météorologique MPP et une paramétrisation de la turbulence basée sur Galperin et al. (1988). L'exploitation de ce modèle SeaCluse consiste à introduire les gouttes d'écume avec différentes dynamiques initiales. Selon leur dynamique initiale, elles peuvent avoir un impact significatif sur les flux de chaleur. Les profils de concentration, de température, d'humidité résultants du modèle SeaCluse sont aussi utilisés dans des modèles pour prévoir la transmission et la réfraction électromagnétique dans la couche de surface marine
The SeaCluse model describes the non-linear interactions between evaporating sea spray and the scalar fields of temperature and humidity in the marine atmospheric surface layer. The present study focuses on both the further development and the exploitation of the code. The principal improvement consists of extending the numerical vertical domain well into the atmospheric marine boundary layer by introduction of a new meteorological preprocessor MPP and a turbulence parameterization based on the work of Galperin et al (1988). The extended domain ensures unhampered droplet dispersion in the lower part of the domain. The exploitation of the upgraded SeaCluse model consists of the introduction of spume droplets. Depending on the initial dynamics, spume droplets may have a significant impact on heat fluxes. Furthermore, the profiles of aerosol, temperature and humidity as supplied by SeaCluse are used in models to calculate transmission and refraction effects in the marine surface layer

Le travail de recherche effectué durant cette thèse s'intéresse à l'effet indirect des aérosols sur le climat. Certains aérosols, les noyaux de condensation nuageux, donnent naissance aux gouttelettes de nuage. En modifiant la nature chimique et la distribution des aérosols, on peut modifier la concentration des gouttelettes et, par conséquent, les propriétés radiatives des nuages et leur efficacité à produire des précipitations. Cet effet est particulièrement sensible dans les strato-cumulus marins. Pour modéliser cet effet dans un modèle de grande échelle, il est nécessaire de paramétrer l'interaction entre aérosols et concentration de gouttelettes nuageuses, la croissance des gouttelettes dans les nuages de couche limite et enfin l'interaction entre la microphysique et les propriétés radiatives des nuages. Cette étude porte sur la première étape : interaction aérosol/nuage. Tout d'abord, les mesures des propriétés physiques et chimiques des aérosols réalisées durant la campagne ACE-2 ont été analysées, dans le but de valider les mesures effectuées. . .

L'aérosol anthropique peut affecter le cycle de vie des nuages de couche limite, en modifiant l'albédo du nuage et en inhibant la formation des précipitations. Cependant, il est difficile de quantifier ces impacts à partir d'observations. Les interactions aérosol-nuages de couche limite sont donc étudiées à l'aide des modèles numériques à résolution fine (LES), qui disposent de paramétrisations détaillées de la turbulence, du transfert radiatif et de la microphysique nuageuse. Dans cette étude, nous examinons plus spécifiquement les impacts de l'aérosol sur le cycle diurne de stratocumulus marins. Des simulations LES d'un cycle de 36 heures sont réalisées pour des concentrations d'aérosol typiques de masses d'air pures et polluées. Partant d'un même état initial, les simulations divergent rapidement. L'augmentation de la concentration des noyaux de condensation nuageux conduit à une augmentation de la concentration des gouttelettes, à une diminution de leur diamètre, et ainsi à l'inhibition de leur sédimentation et de la précipitation de bruine. Le contenu en eau liquide au sommet nuage augmente et l'entraînement sommital est renforcé. De plus, l'absorption du rayonnement solaire à la base du nuage n'est plus compensée par l'évaporation de la bruine et le découplage de la couche nuageuse est renforcé. Dans l'ensemble, la couche limite polluée est mieux couplée la nuit et plus découplée le jour que la couche limite marine pure. Ces simulations permettent d'identifier des signatures mesurables de l'impact des aérosols sur la dynamique de la couche limite, et ainsi de mieux concevoir les expériences de terrain qui visent à quantifier ces impacts
Anthropogenic aerosols may have a noticeable impact on the life cycle of boundary layer clouds, via their effects on radiation and precipitation efficiency. It is however difficult to document such impacts from observations. The interactions between aerosol particles and the dynamics of boundary layer cloud systems (typically marine stratocumulus) have therefore been explored with high resolution numerical models (LES), that now include detailed parameterizations of turbulence, radiative transfer and microphysics. In this study, the focus is on the coupling between aerosol impacts on cloud microphysics and the diurnal cycle of stratocumulus clouds. LES simulations of a 36 hours cycle are performed with aerosol concentrations typical of pristine and polluted air masses, successively. Although the simulations start from the same initial state, they rapidly diverge. The increased concentration of cloud condensation nuclei yields to an increased droplet concentration, a reduction of the droplet sizes and the inhibition of the droplet sedimentation and precipitation formation. The liquid water content at cloud top hence increases and the cloud top entrainment is strengthened. Moreover, the absorption of solar radiation at cloud base is no longer balanced by the droplet and drizzle evaporation, and the decoupling of the cloud layer is reinforced. Overall, the polluted cloud layer is better coupled during the night and more decoupled during the day than its pristine counterpart. Measurable signatures of these impacts are identified to help at designing observational studies of aerosol impacts on the dynamics on boundary layer clouds

Les aérosols marins, générés par des processus d'interaction vent-vagues, représentent une composante majeure de l'aérosol naturel et jouent un rôle important dans le bilan radiatif de la planète. C'est pourquoi, une meilleure connaissance des propriétés et de la dynamique atmosphérique de ces particules constitue un enjeu majeur dans le contexte du changement climatique, mais aussi pour leur interactions avec les polluants atmosphériques et le transport de grandes quantités de matière organique qui vont impacter la qualité de l’air, en particulier dans les régions côtières. Ce travail de thèse a été consacré au développement d'une modélisation fine de la dynamique atmosphérique de ces aérosols en zone littorale dans le but de mieux comprendre l'intrusion et les variations atmosphériques locales des concentrations d'aérosols marins dans ces zones spatialement limitées. Pour ca faire, une version LES du modèle MESO-NH dans lequel a été introduit une formulation spécifique de fonction source de l'aérosol marin développée au laboratoire MIO a été implémentée sur la région côtière toulonnaise. Les simulations numériques ont été comparées à des données expérimentales acquises à bord du navire Atalante lors de la campagne de recherche MIRAMER. La capacité du modèle numérique à prédire les variations de concentration d'aérosols en fonction des différentes directions du vent local a été évaluée. Les résultats obtenus ont permis une meilleure compréhension de l'impact de la configuration géographique du littoral sur la dynamique des aérosols, et montré l'apport et les limitations de la modélisation à haute résolution utilisée. Celles-ci concernent notamment les limites du modèle météorologique pour le rendu des structures turbulentes localisées, dont une meilleure description est nécessaire pour une modélisation précise des aérosols, en particulier dans la zone de transition terre-mer. Ce travail a également permis d'améliorer la fonction source des aérosols générés par le déferlement des vagues dans les conditions de fetch court, en s'appuyant sur une analyse spécifique de la pente des vagues. Les résultats obtenus montrent que la prise en compte de ces aérosols issus du déferlement des vagues dans les modèles atmosphériques renforce notre capacité à prévoir les épisodes de fortes précipitations
Marine aerosols, generated by wind-wave interaction processes, represent a major component of natural aerosols and play an important role in radiative balance of the planet. Therefore, a better understanding of the properties and atmospheric dynamics of these particles is crucial in the context of climate change, as well as for their interactions with atmospheric pollutants and the transport of large quantities of organic matter, which impact air quality, particularly in coastal regions. This thesis focuses on the development of a high-resolution modeling of aerosol atmospheric dynamics in coastal zones to better understand the intrusion and local atmospheric variations of marine aerosol concentrations in these spatially constrained areas. To achieve this, a LES version of the Meso-NH model, incorporating a specific source function for marine aerosols developed at the MIO laboratory, was implemented in the Toulon coastal region. The numerical simulations were compared with experimental data acquired aboard the research vessel Atalante during the MIRAMER campaign. The ability of the model to predict aerosol concentration variations based on different local wind directions was assessed. The results provided a better understanding of the impact of coastal geographical configuration on aerosol dynamics, highlighting both the benefits and limitations of the high-resolution modeling used. These limitations concern, in particular, the ability of the model to accurately render localized turbulent structures, which require better representation for precise aerosol modeling, especially in the land-sea transition zone. This work further improved the source function of aerosols generated by wave breaking for short fetches through a specific analysis of wave slope. It also enabled the evaluation of the impact of these marine aerosols on an extreme precipitation event in the Mediterranean

Avec 70% de la surface de la planète recouverte par les mers et les océans, la présence de particules salées, produites majoritairement par le déferlement de vagues, représente une composante majeure dans le cycle géochimique de l'atmosphère et dans le bilan radiatif terrestre. Nos connaissances doivent progresser vers une description et une modélisation des flux actuels plus précises afin d'être capable d'anticiper les changements éventuels de la composition de l'atmosphère. Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre général d'une meilleure caractérisation des particules injectées dans l'atmosphère par le déferlement des vagues. Un des objectifs est d'etudier la validité des modèles paramétriques et numériques pour prédire la variation spatio-temporelle des particules d'aérosols à l'échelle locale et régionale. Une première partie du travail est consacrée à l'étude de la variation spatiale des concentrations d'aérosols dans une zone côtière méditerranéenne. Pour ce faire, un couplage entre un code météorologique méso-échelle (RAMS) et un modèle déterministe de distributions d'aérosols développé par le LSEET (Medex)a été réalisé. Les prédictions du couplage sont confrontées aux données enregistrées lors d'une campagne expérimentale menée en mai 2007 à la station de mesures du laboratoire sur l'île de Porquerolles. Une deuxième partie du travail s'est concentrée sur l'amélioration du modèle paramétrique Medex. A partir, de données enregistrées en mai 2007, les prédictions de Medex ont été affinées, en particulier par correction de l'influence saisonnière. Dans une troisième partie, on s'est intéressé aux paramètres qui influencent les variations de concentrations en aérosols lors d'un épisode de Mistral. Il est montré que des paramètres autres que la vitesse du vent interviennent, tel que le fetch et la hauteur de la couche limite marine. Une dernière partie est consacrée au développement d'un modèle numérique de transport des aérosols. Les premiers résultats permettent de montrer l'influence de la stabilité atmosphérique sur les profils horizontaux et verticaux d'aérosols.

Avec 70% de la surface de la planète recouverte par les mers et les océans, la présence de particules salées, produites majoritairement par le déferlement de vagues, représente une composante majeure dans le cycle géochimique de l'atmosphère et dans le bilan radiatif terrestre. Nos connaissances doivent progresser vers une description et une modélisation des flux actuels plus précises afin d'être capable d'anticiper les changements éventuels de la composition de l'atmosphère. Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre général d'une meilleure caractérisation des particules injectées dans l'atmosphère par le déferlement des vagues. Un des objectifs est d'etudier la validité des modèles paramétriques et numériques pour prédire la variation spatio-temporelle des particules d'aérosols à l'échelle locale et régionale. Une première partie du travail est consacrée à l'étude de la variation spatiale des concentrations d'aérosols dans une zone côtière méditerranéenne. Pour ce faire, un couplage entre un code météorologique méso-échelle (RAMS) et un modèle déterministe de distributions d'aérosols développé par le LSEET (Medex)a été réalisé. Les prédictions du couplage sont confrontées aux données enregistrées lors d'une campagne expérimentale menée en mai 2007 à la station de mesures du laboratoire sur l'île de Porquerolles. Une deuxième partie du travail s'est concentrée sur l'amélioration du modèle paramétrique Medex. A partir, de données enregistrées en mai 2007, les prédictions de Medex ont été affinées, en particulier par correction de l'influence saisonnière. Dans une troisième partie, on s'est intéressé aux paramètres qui influencent les variations de concentrations en aérosols lors d'un épisode de Mistral. Il est montré que des paramètres autres que la vitesse du vent interviennent, tel que le fetch et la hauteur de la couche limite marine. Une dernière partie est consacrée au développement d'un modèle numérique de transport des aérosols. Les premiers résultats permettent de montrer l'influence de la stabilité atmosphérique sur les profils horizontaux et verticaux d'aérosols
With 70% of the planet surface covered by seas and oceans, the presence of sea salt particles, produced mainly by the waves breaking, represents a major constituent in the geochemical cycle of the atmosphere and in the earth radiative budget. Ln order to anticipate the possible changes, our knowledge has to progress towards a more precise description and modelling of surface flux. The present study proposes a general framework for a better characterization of particles injected in the atmosphere by the waves breaking. One of the objectives is to study the parametrical and numerical models' validity in order to predict the spatio-temporal sea spray's variation at a local and regional scale. A first part of this work is dedicated to the study of the aerosol concentrations' spatial variation in a Mediterranean coastal zone. To do so, a coupling between a meso-scale meteorological code (RAMS) and an aerosol determinist model (Medex) developed by the LSEET has been operated. The predictions of the coupling are confronted with the data recorded during an experimental campaign led in May 2007 at Porquerolles Island. The second part is focused on the parametrical model improvement : with the help of the data recorded in May 2007, the seasonal influence has been corrected, thus refining the Medex predictions. The third part is dedicated to the parameters influencing the sea spray concentrations during an episode of Mistral. It is shown that other parameters than the wind speed act, such as fetch or the height of the marine boundary layer. The last part proposes the development of a numerical transport model of aerosols. The first results show the influence of the atmospheric stability on the horizontal and vertical profiles of sprays

La région arctique se réchauffe plus rapidement que toute autre région de la planète en raison de l’effet des gaz à effet de serre, notamment le CO2, et des forçeurs climatiques à courte durée de vie d’origine anthropique, comme le carbone suie (BC). Au cours des 20 à 30 dernières années, les émissions anthropiques lointain au-dessus des régions de latitude moyenne ont diminué. Les émissions anthropiques dans l’Arctique y contribuent également et pourraient augmenter à l’avenir et influencer davantage la pollution atmosphérique et le climat de l’Arctique. Les émissions naturelles, telles que les aérosols d’origine marine, pourraient également augmenter en raison du changement climatique en cours. Cependant, les processus et les sources qui influencent les aérosols et les gaz traces dans l’Arctique sont mal quantifiés, surtout en hiver. Dans cette thèse, des simulations quasi-hémisphériques et régionales sont réalisées à l’aide du modèle Weather Research Forecast, couplé à la chimie (WRF-Chem). Le modèle est utilisé pour étudier la composition atmosphérique sur la région Arctique et lors de deux campagnes de terrain, l’une au nord de l’Alaska à Barrow, Utqiagvik en janvier et février 2014 et la seconde à Fairbanks, au centre de l’Alaska en novembre et décembre 2019 lors de la campagne française pré-ALPACA (Alaskan Layered Pollution And Chemical Analysis). Tout d’abord, les aérosols inorganiques et les aérosols de sel marin (SSA) modélisés sont évalués sur des sites arctiques pendant l’hiver. Ensuite, le modèle est amélioré en ce qui concerne les traitements des SSA, après évaluation par rapport aux données de la campagne de Barrow, et leur contribution à la charge totale d’aérosols dans la région arctique est quantifiée. Une série d’analyses de sensibilité est effectuée sur le nord de l’Alaska, révélant des incertitudes du modèle dans les processus influençant les SSA dans l’Arctique, tels que la présence de glace de mer et de chenaux ouverts. Ensuite, une analyse de sensibilité est effectuée pour étudier les processus et les sources qui influencent le BC hivernale dans l’ensemble de l’Arctique et au nord de l’Alaska, en se concentrant sur les traitements de dépôt et les émissions régionales. Des variations de la sensibilité du modèle aux dépôts humides et secs sont constatées dans tout l’Arctique et pourraient expliquer les biais du modèle. Dans le nord de l’Alaska, les émissions régionales provenant de l’extraction pétrolière contribuent de manière importante au BC observée. Les résultats du modèle sont également sensibles aux schémas de paramétrisation de la couche limite. Troisièmement, la version améliorée du modèle est utilisée pour étudier la contribution des sources régionales et locales à la pollution atmosphérique dans la région de Fairbanks pendant l’hiver 2019. En utilisant des émissions actualisées, le modèle donne de meilleurs résultats pour l’hiver 2019 que pour l’hiver 2014, lorsqu’on le compare aux observations effectuées sur des sites de fond en Alaska. Les sous-estimations des aérosols modélisés de BC et de sulfate s’expliquent en partie par le manque d’émissions anthropiques locales et régionales. Dans le cas du sulfate , des mécanismes supplémentaires de formation d’aérosols secondaires dans des conditions sombres/froides doivent également être pris en compte
The Arctic region is warming faster than any other region on Earth due to the effect of greenhouse gases, notably CO2, and short-lived climate forcers of anthropogenic origin, such as black carbon (BC). Over the last 20-30 years, remote anthropogenic emissions over mid-latitude regions have been decreasing. Anthropogenic emissions within the Arctic are also contributing and might increase in the future and further affect Arctic air pollution and climate. Natural emissions, such as sea-spray aerosols, also might increase due to on-going climate change. However, the processes and sources influencing Arctic aerosols and trace gases are poorly quantified, especially in wintertime. In this thesis, quasi-hemispheric and regional simulations are performed using the Weather Research Forecast model, coupled with chemistry (WRF-Chem). The model is used to investigate atmospheric composition over the wider Arctic and during two field campaigns, one in northern Alaska at Barrow, Utqiagvik in January and February 2014 and the second in Fairbanks, central Alaska in November and December 2019 during the French pre-ALPACA (Alaskan Layered Pollution And Chemical Analysis) campaign. First, modelled inorganic and sea-spray (SSA) aerosols are evaluated at remote Arctic sites during wintertime. Then, the model is improved with respect to SSA treatments, following evaluation against Barrow field campaign data, and their contribution to the total aerosol burden within the Arctic region is quantified. A series of sensitivity runs are performed over northern Alaska, revealing model uncertainties in processes influencing SSA in the Arctic such as the presence of sea-ice and open leads. Second, a sensitivity analysis is performed to investigate processes and sources influencing wintertime BC over the wider Arctic and over northern Alaska, with a focus on removal treatments and regional emissions. Variations in model sensitivity to wet and dry deposition is found across the Arctic and could explain model biases. Over northern Alaska, regional emissions from petroleum extraction are found to make an important contribution to observed BC. Model results are also sensitive to planetary boundary layer parameterisation schemes. Third, the improved version of the model is used to investigate the contribution of regional and local sources on air pollution in the Fairbanks area in winter 2019. Using up-to-date emissions, the model performs better in winter 2019 than in winter 2014, when compared to observations at background sites across Alaska. Underestimations in modelled BC and sulphate aerosols can be partly explained by lacking local and regional anthropogenic emissions. In the case of sulphate, additional secondary aerosol formation mechanisms under dark/cold conditions also need to be considered

Récemment, de nombreuses recherches ont mis l'accent sur la nécessité de remédier aux défauts d'étanchéité des Systèmes de Distribution d'Air (SDA), puisqu'elles ont conclu que, dans les résidences californiennes, le potentiel d'économie d'énergie en conditionnement d'air est de l'ordre Je 20% par réduction de la perméabilité à l'air de ces réseaux. L'objectif pratique du travail présenté ci-après est de répondre à ce problème à l'aide d'injection de particules aérosol dans les SDA. Suite à une recherche bibliographique comportant de nombreuses références au sujet des phénomènes principaux liés à la mécanique des aérosols, un modèle permettant le calcul Je la pénétration de particules dans les réseaux de distribution d'air est développé. Ce dernier repose sur l'hypothèse que le SDA peut être décomposé en sous-parties élémentaires (tubes droits et coudes) dans lesquelles le dépôt de particules est évalué. Ainsi, il est possible de calculer la fraction de particules qui vient se déposer sur les parois du réseau en fonction des diverses caractéristiques de l'aérosol et de l'écoulement. Il s'ensuit que des particules de moins de 10 microns pénètrent remarquablement bien dans le réseau à des débits d'injection d'air raisonnables. Le quatrième chapitre est dédié au dépôt Je particules Jans les fuites. Après un récapitulatif des travaux réalisés dans ce domaine, nous nous attachons à l'étude Je la succion de particules dans une fuite bidimensionnelle car elle présente des similitudes avec le problème proposé. Il en résulte qu'un aérosol Je particules de l0 microns obture des ouvertures de taille relativement importante (de l'ordre de 1 mm) en 10 à 30 minutes Jans des conditions réalisables in situ Ce résultat est testé grâce au dispositif expérimental déc1it au chapitre Y. L'aboutissement de cette recherche réside en la construction d'un prototype de terrain capable de réduire la perméabilité des SDA
The practical objective of this research is to reduce leakage in residential air-distribution systems, as earlier research proved that the energy savings potentials of sealing duct leaks is on the order of 20% of the furnace or air-conditioner energy use. The work presented herein consists m the development of an aerosol-based technique to overcome this problem. The second chapter of this thesis includes a literature review of the main phenomena encountered in the mechanics of aerosols. Then, we develop a mode! to predict aerosol penetration in an air-distribution network. The latter is based on the assumption that the system can be divided in elementary parts (straight tubes and bends) where the deposition efficiency may be determined. Thus, the relative quantity of deposited particles can be calculated for miscellaneous aerosol and air flow characteristics. It appears that 10 micron (or less) particles penetrate remarkably well in the network at reasonable air t1ow rates. The fourth chapter is dedicated to the study of particle deposition in leaks. Following a literature review of earlier investigations in this field, we focus our attention on particle suction in a two-dimensional slot since it presents similarities with our problem. It appears that an aerosol of 10 micron particles can plug significant openings (on the order of 1 mm) in conditions reproducible in situ. This result was validated with the experimental apparatus described in chapter V. The outcome of this research consists in the construction of a prototype field device that can reduce the leakiness of duct systems

L’étude porte les phénomènes physiques mis en jeu dans la collecte des aérosols par une aspersion multi gouttes pour des conditions thermohydrauliques représentatives de celles d’un accident grave de REP simulées dans l’expérience TOSQAN. Une caractérisation des aérosols (WELAS), couplée aux mesures des caractéristiques du spray (PDA,PIV), a fournie des informations détaillées permettant d’obtenir des résultats reproductibles montrant que la dynamique de collecte des aérosols comporte deux phases caractérisées par deux taux de rabattement distincts. Les efficacités élémentaires moyennes de collecte par classe d’aérosol ont été estimées en fonction du débit d’aspersion et de la température d’injection des gouttes. La comparaison entre l’approche numérique (code ASTEC) et les résultats expérimentaux sur la masse collectée par le spray a montré un bon accord au début de l’essai, puis un léger désaccord après un certain temps lié aux limites expérimentales de mesure et aux limites du code.

La variabilité du système climatique influence la productivité et la distribution des espèces marines sur toutes les échelles de temps, de la variabilité saisonnière et inter-annuelle aux cycles glaciaires-interglaciaires. Mais ces liens entre climat et écosystèmes marins sont encore largement méconnus, de telle sorte que les prévisions des changements à venir sont difficiles. De plus, parce que les indicateurs paléoclimatiques issus des archives marines sont souvent liés au fonctionnement de l’écosystème, cette méconnaissance limite la fiabilité de la reconstruction de la variabilité climatique passée.Ce travail de thèse vise à améliorer notre connaissance de ces liens entre climat et écosystèmes marins : nous nous sommes intéressés aux changements de productivité marine au cours du dernier cycle glaciaire-interglaciaire, et nous nous sommes aussi penchés sur la réponse de l’écosystème, incluant l'ensemble des niveaux de la chaine trophique, à la variabilité inter-annuelle à décennale en climat pré-industriel. Ce travail est basé sur l’utilisation d’un modèle climatique (IPSL-CM), d’un modèle de biogéochimie marine (PISCES) et d’un modèle de niveaux trophiques supérieurs (APECOSM).Dans un premier temps, nous montrons que le lien entre l’intensité de la mousson indienne et la productivité primaire marine, en été boréal dans la mer d’Arabie, n’est pas direct. En effet, il apparait indispensable pour comprendre les changements de productivité de considérer, en plus de l'intensité de la mousson, la structure de la mousson. En particulier, la position du Jet de Findlater par rapport à la côte de la péninsule arabique est un paramètre important puisqu'elle conditionne la dynamique d'Ekman dans la région.Dans un second temps, nous avons étudié les variations de la productivité marine au large de l'embouchure du fleuve Congo et leurs liens avec le fleuve et les changements de dynamique atmosphérique africaine. Ce travail a mis en évidence que la relation entre l'intensité de la mousson et l'intensité des alizés, souvent utilisée dans les reconstructions climatiques, n'est pas toujours vérifiée. Selon le climat étudié, l'importance des effets thermiques ou dynamiques sur les changements de précipitations et de vents simulés est différente.Dans un troisième temps, nous avons étudié l'effet de la variabilité inter-annuelle sur les changements de productivité passés et sur le signal climatique potentiellement enregistré par des indicateurs climatiques biologiques.Enfin, la dernière partie de cette thèse se focalise sur la réponse des organismes marins des haut-niveaux trophiques à la variabilité climatique à différentes fréquences. Ce travail a révélé que les organismes marins répondent de façons différentes aux variations environnementales en fonction de leur taille et de leur habitat
Climate variability influences marine primary productivity and marine species distribution over all timescales, from seasonal to interannual variability and glacial-interglacial cycles. The links between climate and marine ecosystems are still sparsely known so that the predictions of futur changes are difficult. Moreover, because paleoclimate recorders extracted from marine archives are often linked to the functionning of the ecosystem, this lack of knowledge limits our ability to reconstruct past climate variability.This thesis work aims at improving our knowledge of these links between climate and marine ecosystems : we have looked into marine productivity changes during the last glacial-interglacial cycle, but we also examined the "end-to-end" ecosystem response to inter-annual to decadal variability in a pre-industrial climate. This work uses a climate model (IPSL-CM), a bio-geochemical model (PISCES) and a model of high trophic levels (APECOSM).First, we show that the link between Indian summer monsoon intensity and marine primary productivity in the Arabian Sea is indirect. Indeed, it appears necessary to consider the monsoon pattern, such as the Findlater Jet position, which drives the Ekman dynamics in the region, as well as its intensity to understand the productivity changes.Second, we study the marine productivity changes off the Congo river mouth and their links with the river runoff and the African atmospheric dynamics. This work shows that the relationship between monsoon intensity and trade winds intensity, often used to reconstruct past changes, is not always verified. Depending on the climate, thermal or dynamical effects are more or less prominent drivers of the simulated changes in precipitation and winds. Productivity off the Congo river mouth, which is mainly located in the subsurface, seems more affected by the ocean and atmosphere dynamics than by the river supply in nutrients.Third, we study the inter-annual variability effects over past productivity changes and over the climatic signal potentially recorded in the biological climate proxies.Finally, the last part of the thesis focuses on high trophic levels marine organisms response to climate variability at different frequencies. This study shows that marine organisms response to environmental changes varies with the organism' size and habitat