Dissertationen zum Thema „Cycle hydrologique régional“

La région méditerranéenne se distingue comme un « point chaud » potentiel en matière de science du climat, ce qui signifie une région où les impacts du changement climatique devraient être particulièrement importants. Dans la région méditerranéenne, il existe une interaction complexe entre l’atmosphère océanique et la terre ferme, associée à des caractéristiques morphologiques distinctes. Ce couplage fort fait référence aux interactions entre la mer Méditerranée, l’atmosphère et les terres environnantes, influençant des dynamiques climatiques locales spécifiques. Dans cette thèse, nous nous sommes concentrés sur la partie sud de la France située dans la région nord-ouest de la Méditerranée. En raison de ces caractéristiques géographiques particulières et des interactions complexes entre les processus océaniques et atmosphériques à différentes échelles spatiales et temporelles, le climat et en particulier l'hydroclimat du sud de la France présente des caractéristiques spatiales et temporelles complexes ainsi que leur variabilité. Il existe un manque de compréhension des processus hydrologiques locaux, ce qui nécessite une analyse complète à haute résolution de toutes les composantes du cycle hydrologique dans cette région. Dans nos travaux, nous nous concentrerons sur la branche atmosphérique du cycle hydrologique dans le Golfe du Lion et nous considérerons les précipitations, le transport d'humidité et les processus hydrologiques de surface tels que le ruissellement et l'humidité du sol.L’objectif de cette recherche doctorale peut être résumé en trois questions principales abordant la complexité du cycle hydrologique sur le sud de la France :1. Quelles sont les forces et les faiblesses des différents types de jeux de données pour capturer la variabilité des précipitations et leurs extrêmes sur le sud de la France ?Pour répondre à cette question, nous avons étudié l'exactitude et la fiabilité de toutes les sources de données disponibles pour cette région dans la représentation des conditions climatiques réelles, fournissant ainsi un aperçu de leur applicabilité aux études hydrologiques dans la région méditerranéenne. Les résultats de cette analyse sont présentés au chapitre 2.2. Quelles sont les sources de transport d'humidité qui contribuent aux précipitations et aux événements météorologiques extrêmes dans le sud de la France ?Pour répondre à cette question, nous avons analysé le transport d'humidité dans cette région. De plus, nous avons étudié le transport de l’humidité dans les conditions d’événements de précipitations extrêmes. Pour explorer les mécanismes à l’origine du transport d’humidité, nous avons effectué une analyse groupée des modèles météorologiques correspondants. Les résultats sont présentés au chapitre 3.3. Quel est l'impact de la variabilité et de l'évolution des précipitations sur l'humidité des sols et le ruissellement continental dans le sud de la France ?Pour répondre à cette question, nous avons analysé les interactions entre les régimes de précipitations et les composantes terrestres du cycle hydrologique, telles que l'humidité du sol et le ruissellement. Reasulate est présenté au chapitre 4
The Mediterranean region stands out as a potential ’hotspot’ in climate science which signifies a region where the impacts of climate change are expected to be particularly significant. In Mediterranean region there is intricate interplay between the ocean atmosphere and land, coupled with distinct morphological features. This strong coupling refers to the interactions among the Mediterranean Sea, the atmosphere, and the surrounding land, influencing specific local climate dynamics. In our study, we focused on the Southern part of France located in the northwestern Mediterranean region. Due to these special geographical features and the complex interactions between ocean and atmospheric processes at different spatial and temporal scales, the climate and especially the hydroclimate of the Southern part of France exhibits intricate spatial and temporal characteristics and their variability. There is a lack of understanding of local hydrological processes, which requires a high-resolution comprehensive analysis of all hydrological cycle components in this region. In our work, we will focus on the atmospheric branch of the hydrological cycle in the Gulf of Lion and we will consider precipitation, moisture transport, and surface hydrological processes such as runoff and soil moisture.The aim of this PhD research can be summarized in three main questions addressing the complexities of the hydrological cycle over southern France:1. What are the strengths and weaknesses of various type of datasets in capturing the precipitation variability and its extremes over southern France ?To answer this question, we investigated the accuracy and reliability of all available data sources for this region in representing the actual climatic conditions, providing insights into their applicability for hydrological studies in the Mediterranean region. Results of this analysis are presenting in Chapter 2.2. What are the sources of moisture transport contributing to precipitation and extreme weather events in southern France ?To answer this question, we analyzed the moisture transport in this region. Additionally, we investigated the moisture transport for the conditions of extreme precipitation events. To explores the mechanisms driving of moisture transport we performed clustering analysis of corresponding weather patterns. Results are presenting in Chapter 3.3. How do variability and trends in precipitation impact soil moisture and continental runoff in southern France ?To answer this question, we analyzed the interactions between precipitation patterns and terrestrial components of the hydrological cycle, such as soil moisture and runoff. Reasulate are presenting in Chapter 4.The structure of this thesis is organized as follows: Chapter 1 introduces the data sources utilized in this study, discussing their respective limitations. It also details the methodologies employed to evaluate these datasets and to investigate the sources of moisture affecting this region. Chapter 2 focuses on the examination of precipitation characteristics within the region. It assesses various precipitation datasets to understand their reliability and accuracy in capturing the area’s precipitation dynamics. Chapter 3 is dedicated to analyzing long-term moisture transport patterns. This chapter aims to elucidate the mechanisms behind moisture movement into the region. Chapter 4 delves into the analysis of runoff and soil moisture, exploring their relationship with precipitation. It examines how precipitation influences soil moisture and runoff, contributing to the broader understanding of the regional hydrological cycle

La France, comme la majeure partie de l'Europe risque d'être confrontée à des changements climatiques sévères au cours du 21ème siècle. Cette thèse se propose d'en étudier les impacts sur le cycle hydrologique, à l'échelle des bassins versant français.
Une méthode de désagrégation statistique, basée sur le concept de type de temps, est développée et mise en œuvre afin de régionaliser un ensemble de scénarios climatiques pour forcer un modèle hydro-météorologique. Des impacts sévères sont visibles dès le milieu du 21ème siècle, avec notamment une forte diminution des débits moyens en été et automne, et une large augmentation du nombre de jours d'étiage.
D'autres méthodes de désagrégation sont utilisées afin de tester la sensibilité des résultats
au choix de la méthode: celle-ci s'avère limitée. La principale source d'incertitude
réside en fait dans le choix du modèle climatique. Nous essayons pour finir de mieux comprendre les raisons physiques de cette dispersion des scénarios climatiques sur l'Europe.

La France, comme la majeure partie de l'Europe risque d'être confrontée à des changements climatiques sévères au cours du 21ème siècle. Cette thèse se propose d'en étudier les impacts sur le cycle hydrologique, à l'échelle des bassins versant français. Une méthode de désagrégation statistique, basée sur le concept de type de temps, est développée et mise en œuvre afin de régionaliser un ensemble de scénarios climatiques pour forcer un modèle hydro-météorologique. Des impacts sévères sont visibles dès le milieu du 21ème siècle, avec notamment une forte diminution des débits moyens en été et automne, et une large augmentation du nombre de jours d'étiage. D'autres méthodes de désagrégation sont utilisées afin de tester la sensibilité des résultats au choix de la méthode: celle-ci s'avère limitée. La principale source d'incertitude réside en fait dans le choix du modèle climatique. Nous essayons pour finir de mieux comprendre les raisons physiques de cette dispersion des scénarios climatiques sur l'Europe
As most of Europe, France might undergo severe climate changes during the 21st century. In this thesis we study the impacts of these changes on the hydrological cycle, at the scale of the French river basins. A statistical downscaling method, based on the concept on weather types is built and applied to regionalize an ensemble of climate scenarios in order to force an hydro-meteorological model. Severe impacts occur as soon as the middle of the 21st century, characterized by a strong decrease of mean river flows and a great increase in the occurrence of low-flow. Other downscaling methods are used in order to test the sensivity of the results to the choice of the method: this sensivity is limited. Actually, the main source of uncertainty lies in the choice of the climate model. To finish, we try to better understand the reasons for the spread of the climate change scenarios over Europe

Les régions boréales seront les plus affectées par le réchauffement climatique, c'est pourquoi cette thèse s'est intéressée à l'étude du cycle hydrologique de ces régions. Une nouvelle méthodologie d'extraction du volume de neige à partir de données radiométriques sur l'ensemble des régions boréales a été validée et a permis de montrer une différence de comportement entre 1988 et 2006 sur les variations du volume de neige de l'Eurasie et celui de l'Amérique du Nord. L'étude des variations de volume des eaux de surface des régions arctiques est par contre plus difficile à estimer avec les données satellitaires actuelles. C'est pourquoi un nouveau projet de satellite, la mission SWOT (Surface Water and Ocean Topography), a été proposé qui vise à fournir des cartes de hauteurs d'eau sur l'ensemble du globe. L'apport de cette mission à l'étude des régions arctiques a été estimé en implémentant une modélisation de l'Ob inférieur, fleuve de l'Ouest sibérien, en couplant un modèle hydrologique à grande échelle et un modèle hydrodynamique d'inondations. En ajustant certains paramètres de ces modèles, il a été possible d'obtenir une modélisation réaliste du débit et des hauteurs d'eau du fleuve. L'utilisation d'un lisseur de Kalman d'ensemble local a permis de montrer que les données SWOT devraient permettre de réduire significativement (de plus de 50%) les erreurs de modélisation. L'intérêt de la mission pour l'observation du débit de l'ensemble des fleuves a aussi été estimé en se basant sur un bilan d'erreur préliminaire. L'utilisation de courbes de tarage, ainsi que la prise en compte des erreurs de mesure SWOT ont permis de montrer que ces nouvelles données devraient permettre d'estimer un débit moyen avec une erreur inférieure à 30% pour tous les fleuves ayant une profondeur de plus de 1 m. D'autre part, il a été montré que l'erreur sur l'estimation du débit mensuel due seulement à l'échantillonnage temporel de SWOT diminue avec l'aire drainée et que, pour une aire drainée supérieure à 6 900 km2, cette erreur devrait être inférieure à 20%. Enfin, une méthodologie simple a permis de calculer que la variation annuelle totale du volume de l'ensemble des lacs est de l'ordre de 9 000 km3. Les données spatiales actuelles ne peuvent pas en observer plus de 15%. Selon notre estimation, SWOT quant à lui devrait pouvoir mesurer entre 50% et 65% de cette variation de volume.

Les régions boréales seront les plus affectées par le réchauffement climatique, c'est pourquoi cette thèse s'est intéressée à l'étude du cycle hydrologique de ces régions. Une nouvelle méthodologie d'extraction du volume de neige à partir de données radiométriques sur l'ensemble des régions boréales a été validée et a permis de montrer une différence de comportement entre 1988 et 2006 sur les variations du volume de neige de l'Eurasie et celui de l'Amérique du Nord. L'étude des variations de volume des eaux de surface des régions arctiques est par contre plus difficile à estimer avec les données satellitaires actuelles. C'est pourquoi un nouveau projet de satellite, la mission SWOT (Surface Water and Ocean Topography), a été proposé qui vise à fournir des cartes de hauteurs d'eau sur l'ensemble du globe. L'apport de cette mission à l'étude des régions arctiques a été estimé en implémentant une modélisation de l'Ob inférieur, fleuve de l'Ouest sibérien, en couplant un modèle hydrologique à grande échelle et un modèle hydrodynamique d'inondations. En ajustant certains paramètres de ces modèles, il a été possible d'obtenir une modélisation réaliste du débit et des hauteurs d'eau du fleuve. L'utilisation d'un lisseur de Kalman d'ensemble local a permis de montrer que les données SWOT devraient permettre de réduire significativement (de plus de 50%) les erreurs de modélisation. L'intérêt de la mission pour l'observation du débit de l'ensemble des fleuves a aussi été estimé en se basant sur un bilan d'erreur préliminaire. L'utilisation de courbes de tarage, ainsi que la prise en compte des erreurs de mesure SWOT ont permis de montrer que ces nouvelles données devraient permettre d'estimer un débit moyen avec une erreur inférieure à 30% pour tous les fleuves ayant une profondeur de plus de 1 m. D'autre part, il a été montré que l'erreur sur l'estimation du débit mensuel due seulement à l'échantillonnage temporel de SWOT diminue avec l'aire drainée et que, pour une aire drainée supérieure à 6 900 km2, cette erreur devrait être inférieure à 20%. Enfin, une méthodologie simple a permis de calculer que la variation annuelle totale du volume de l'ensemble des lacs est de l'ordre de 9 000 km3. Les données spatiales actuelles ne peuvent pas en observer plus de 15%. Selon notre estimation, SWOT quant à lui devrait pouvoir mesurer entre 50% et 65% de cette variation de volume
Arctic regions will be the most affected by climate change: therefore this work aims at studying the hydrological cycle of these regions. A new methodology to extract snow volume from radiometric data has been validated for the boreal regions and exhibits a different behaviour between snow volume over Eurasia and over North America. Yet, water volume variation is more difficult to estimate from currently available satellite data. That's why the potential of the new SWOT (Surface Water and Ocean Topography) mission, which will provide global water elevation maps, has been investigated. This has been done by implementing a virtual mission. The first step has been to model a Siberian river, the lower Ob, by coupling a land surface scheme and an inundation model. A realist estimation of the river discharge and water heights has been performed by tuning some of the models parameters. Then, SWOT synthetic observations have been assimilated in the modelling using a local Ensemble Kalman Smoother, leading to a significant decrease (more than 50%) of the modelling errors. The benefit of SWOT for all surface waters has also been studied. From in-situ rating curves and SWOT instrumental error, it has been shown that SWOT will provide an estimate of instantaneous river discharge with an error below 30%, if the river depth is above 1m. The error on the monthly discharge due only to the satellite temporal sampling decreases with drainage area, and should be lower than 20% for drainage area above 6,900 km2. Finally, it has been computed that annual volume variation for all the lakes in the world is around 9,000 km3. Currently, less than 15% of this lake storage change can be monitored with nadir altimeters, whereas SWOT will be able to observe from 50% to 65% of this volume variation

La variabilité interannuelle du Pacifique tropical est aujourd’hui principalement modulée par l’oscillation ElNiño/Oscillation Australe (ENSO). Étant donnés les forts impacts économiques et sanitaires de ce phénomène,la compréhension de son évolution au fil du temps représente un enjeu majeur. Étudier la variabilité ENSOdans différents contextes climatiques permet de comprendre comment celle-ci est reliée à l’état moyen duclimat. Nous utilisons des simulations climatiques de l’Holocène moyen (6 000 ans et 4 000 ans avant nosjours), du dernier maximum glaciaire (21 000 ans avant nos jours) et d’un climat théorique avec le dioxyde decarbone atmosphérique multiplié par quatre, réalisées avec plusieurs modèles numériques. Nous montrons que lavariabilité ENSO a des caractéristiques significativement différentes dans chaque contexte climatique. Les liensentre ces différences et l’état moyen du climat sont nombreux et non linéaires. L’étude des paléoclimats est alorsnécessaire pour comprendre les changements d’ENSO et pouvoir projeter son évolution future. De nombreusesarchives climatiques utilisées pour reconstruire le paléo-ENSO sont situées dans le sud-ouest du Pacifiquetropical, sous l’influence de la zone de convergence du Pacifique sud (SPCZ). Nous montrons que l’impactd’ENSO sur la position de la SPCZ change avec le climat. Or, celui-ci est déterminant pour l’interprétation dusignal issu des archives. Ainsi, les mécanismes reliant ENSO à la SPCZ dans le climat moderne ne peuvent pasêtre directement extrapolés à d’autres contextes climatiques. En combinant l’information des modèles et desarchives, nous pouvons avancer sur la compréhension des changements de variabilité dans le Pacifique sudouestet sur l’interprétation des enregistrements fossiles. En dernier lieu, nous abordons les changements de lavariabilité ENSO avec un nouvel angle de vue, celui de son rôle au sein du bilan énergétique global. D’aprèsles résultats du modèle IPSL-CM5A-LR, la contribution relative des événements El Niño à la redistributionglobale d’énergie est amoindrie à l’Holocène moyen, par rapport au climat moderne. Par ailleurs, la capacitédu Pacifique tropical à exporter l’énergie en moyenne est aussi réduite. Ainsi, la pompe à chaleur globaleconstituée par le Pacifique tropical est moins puissante à l’Holocène moyen, à la fois par la réduction de sacapacité moyenne à exporter que par la contribution amoindrie d’El Niño. Ce résultat suggère qu’il y a unecohérence entre le changement d’ENSO et le rôle de pompe à chaleur joué par le Pacifique tropical
Interannual variability in the tropical Pacific is mainly modulated by the El Niño / Southern Oscillation (ENSO).Understanding the time evolution of this phenomenon is a major issue, given its strong impacts on health andeconomics. Studying the ENSO variability in different climatic contexts allows us to understand its links to themean-state. We use climatic simulations of the mid-Holocene (6,000 years and 4,000 years before present),the last glacial maximum (21,000 years before present) and a theoretical climate with atmospheric carbondioxyde multiplied by four, computed with several numerical models. We show that ENSO characteristics aresignificantly different in the different climatic contexts. The links between these differences and the climatemean-state are numerous and non linear. Studying paleoclimates is then necessary to understand ENSOchanges and to be able to project its future evolution. Some of the past archives that are used to reconstructthe paleo-ENSO are located in the southwest Pacific, under the influence of the south Pacific convergencezone (SPCZ). We show that the impact of ENSO on the location of the SPCZ changes with the climate.This determines how to interpret archives’ records. Thus, the mechanisms linking ENSO to the SPCZ in themodern climate cannot be directly extrapolated to other climates. By combining information from models andarchives, we are able to improve our understanding on the variability changes in the southwest Pacific. Finally,we address the ENSO change with a new vision, through its role within the global energetic budget. Accordingto the IPSL-CM5A-LR model, the relative contribution of El Niño events to the global energy redistribution isreduced in the mid-Holocene, compared to the modern climate. The mean capacity of the tropical Pacific toexport its energy is reduced. Therefore, the global heat pump represented by the tropical Pacific is less powerfulin the mid-Holocene, both by its reduced capacity to export energy and by the reduced El Niño contribution.This result suggests that there is consistency between the ENSO change and the role of heat pump played bythe tropical Pacific

La variabilité interannuelle du Pacifique tropical est aujourd’hui principalement modulée par l’oscillation ElNiño/Oscillation Australe (ENSO). Étant donnés les forts impacts économiques et sanitaires de ce phénomène,la compréhension de son évolution au fil du temps représente un enjeu majeur. Étudier la variabilité ENSOdans différents contextes climatiques permet de comprendre comment celle-ci est reliée à l’état moyen duclimat. Nous utilisons des simulations climatiques de l’Holocène moyen (6 000 ans et 4 000 ans avant nosjours), du dernier maximum glaciaire (21 000 ans avant nos jours) et d’un climat théorique avec le dioxyde decarbone atmosphérique multiplié par quatre, réalisées avec plusieurs modèles numériques. Nous montrons que lavariabilité ENSO a des caractéristiques significativement différentes dans chaque contexte climatique. Les liensentre ces différences et l’état moyen du climat sont nombreux et non linéaires. L’étude des paléoclimats est alorsnécessaire pour comprendre les changements d’ENSO et pouvoir projeter son évolution future. De nombreusesarchives climatiques utilisées pour reconstruire le paléo-ENSO sont situées dans le sud-ouest du Pacifiquetropical, sous l’influence de la zone de convergence du Pacifique sud (SPCZ). Nous montrons que l’impactd’ENSO sur la position de la SPCZ change avec le climat. Or, celui-ci est déterminant pour l’interprétation dusignal issu des archives. Ainsi, les mécanismes reliant ENSO à la SPCZ dans le climat moderne ne peuvent pasêtre directement extrapolés à d’autres contextes climatiques. En combinant l’information des modèles et desarchives, nous pouvons avancer sur la compréhension des changements de variabilité dans le Pacifique sudouestet sur l’interprétation des enregistrements fossiles. En dernier lieu, nous abordons les changements de lavariabilité ENSO avec un nouvel angle de vue, celui de son rôle au sein du bilan énergétique global. D’aprèsles résultats du modèle IPSL-CM5A-LR, la contribution relative des événements El Niño à la redistributionglobale d’énergie est amoindrie à l’Holocène moyen, par rapport au climat moderne. Par ailleurs, la capacitédu Pacifique tropical à exporter l’énergie en moyenne est aussi réduite. Ainsi, la pompe à chaleur globaleconstituée par le Pacifique tropical est moins puissante à l’Holocène moyen, à la fois par la réduction de sacapacité moyenne à exporter que par la contribution amoindrie d’El Niño. Ce résultat suggère qu’il y a unecohérence entre le changement d’ENSO et le rôle de pompe à chaleur joué par le Pacifique tropical
Interannual variability in the tropical Pacific is mainly modulated by the El Niño / Southern Oscillation (ENSO).Understanding the time evolution of this phenomenon is a major issue, given its strong impacts on health andeconomics. Studying the ENSO variability in different climatic contexts allows us to understand its links to themean-state. We use climatic simulations of the mid-Holocene (6,000 years and 4,000 years before present),the last glacial maximum (21,000 years before present) and a theoretical climate with atmospheric carbondioxyde multiplied by four, computed with several numerical models. We show that ENSO characteristics aresignificantly different in the different climatic contexts. The links between these differences and the climatemean-state are numerous and non linear. Studying paleoclimates is then necessary to understand ENSOchanges and to be able to project its future evolution. Some of the past archives that are used to reconstructthe paleo-ENSO are located in the southwest Pacific, under the influence of the south Pacific convergencezone (SPCZ). We show that the impact of ENSO on the location of the SPCZ changes with the climate.This determines how to interpret archives’ records. Thus, the mechanisms linking ENSO to the SPCZ in themodern climate cannot be directly extrapolated to other climates. By combining information from models andarchives, we are able to improve our understanding on the variability changes in the southwest Pacific. Finally,we address the ENSO change with a new vision, through its role within the global energetic budget. Accordingto the IPSL-CM5A-LR model, the relative contribution of El Niño events to the global energy redistribution isreduced in the mid-Holocene, compared to the modern climate. The mean capacity of the tropical Pacific toexport its energy is reduced. Therefore, the global heat pump represented by the tropical Pacific is less powerfulin the mid-Holocene, both by its reduced capacity to export energy and by the reduced El Niño contribution.This result suggests that there is consistency between the ENSO change and the role of heat pump played bythe tropical Pacific

Afin d'etudier le cycle de l'eau a l'echelle regionale, le schema de surface isba de meteo-france est couple au modele hydrologique modcou de l'ensmp. Le modele resoud le cycle diurne des bilans d'eau et d'energie en prenant explicitement en compte les types de sol et de vegetation, et permet de valider la repartition evaporation/ruissellement en comparant les debits observes et simules. Le modele couple est applique en mode force sur deux bassins versants tres contrastes : l'adour (14500km2), et le rhone (86500km2). Le forcage atmospherique tri-horaire a ete reconstitue a 5km de resolution a partir des observations, et les parametres du sol et de la vegetation ont ete cartographies en utilisant l'ensemble des bases de donnees disponibles. Le modele a tout d'abord ete calibre sur le bassin versant de l'adour en 1986, sur lequel on disposait, en plus des mesures de debits, des observations du contenu en eau du sol et de l'evaporation effectuees lors de l'experience hapex-mobilhy86. Il a ensuite ete valide sur l'annee 1987. L'etude a montre l'importance de la prise en compte des processus sous mailles tel que le ruissellement et l'evaporation de l'eau intercepte. Elle releve aussi le role du regime des precipitations, qui conduit a une evaporation plus importante en 1986 qu'en 1987, bien que le cumul de pluie soit plus faible. La simulation sur le bassin du rhone, effectuee sans calibration supplementaire, a permis de tester la transportabilite du systeme. La modelisation met en evidence le role majeur du manteau neigeux dans la formation des debits issus des massifs des alpes et du jura, ainsi que les importantes variations spatiales de l'evaporation et du ruissellement sur le domaine. Enfin, les 2 simulations effectuees a echelle fine sont utilisees pour traiter le probleme de l'agregation sur de grandes mailles. On etudie en particulier l'importance de la prise en compte de 3 processus sous-maille : ruissellement, interception et fonte des neiges.

Dans un contexte de réchauffement climatique, appréhender l'évolution de la hausse du niveau des mers est un enjeu majeur. Pour cela un des éléments clefs est de comprendre l'évolution du cycle hydrologique atmosphérique dans les régions polaires qui influence directement le bilan de masse de surface des calottes Arctique et Antarctique (les deux plus gros réservoirs d'eau douce de la planète). Des enregistrements existent grâce aux données satellites depuis 50 ans et quelques rares données météo depuis 70 ans en Antarctique mais ces enregistrements sont trop courts pour étudier les modes de variabilité pluri-annuels ainsi que la différence entre signal anthropique et signal naturel. Pour avoir accès à des enregistrements plus longs, une des meilleures solutions est d'utiliser les traceurs climatiques dans les carottes de névé. La composition isotopique de l'eau dans ces carottes est largement utilisée pour reconstruire les variations de température passée. Cela dit, le lien entre température et composition isotopique n'est pas très bien contraint car de nombreux autres paramètres influencent la composition isotopique de la neige au moment de sa formation (i.e. température, altitude, humidité, origine de la masse d'air) ou après le dépôt de neige en surface (i.e. échange atmosphère-neige, diffusion du signal, sublimation de la neige de surface).L'objectif de cette thèse est de mieux comprendre le cycle hydrologique atmosphérique et son influence sur la composition isotopique de la vapeur et de la précipitation dans les régions polaires avec en tête l'idée d'améliorer l'interprétation des carottes de névé dans ces régions. Ce travail se décompose en 3 parties.Dans un premier temps, nous avons développé une solution technique qui répondait au défi de la mesure de la composition isotopique de la vapeur toute l'année en région polaire. En effet, l'hiver étant très sec dans ces régions (jusqu'à 10 ppmv à Dome C, l'hiver), l'utilisation d'un analyseur laser Picarro était limité car il est très sensible aux variations d'humidité en dessous de 2000 ppmv. L'hiver est une saison clé dans les régions polaires car elle est synonyme d'une importante variabilité climatique du fait de nombreux évènements synoptiques. Durant cette thèse, la fabrication de 2 prototypes de générateur de très basse humidité (LHLG) a permis de calibrer les analyseurs Picarro sur une gamme de 200 à 2500 ppmv.Ensuite, j'ai analysé la plus longue série de mesures de la composition de la vapeur et de la précipitation jamais effectuée en région polaire: 4,5 années en continu, à 78°N au Svalbard. J'ai montréque le site de mesure était très peu influencé par des processus locaux agissant sur la composition isotopique de la vapeur d’eau. Grâce à cela, j'ai pu attribuer les variations observées, l'hiver, à des évènements synoptique et ainsi attribuer une signature isotopique différente aux masses d'air en fonction de leur origine (Nord Atlantique ou Arctique).Enfin, j'ai installé le nouvel instrument de calibration fabriqué au début de mon doctorat à Dumont D'Urville (DDU), sur la côte en Terre Adélie. Grâce à cela, la première campagne de mesure continue de la composition isotopique de la vapeur à DDU initiée en janvier 2019 est toujours en cours. Je présente ici les 22 premiers mois de ce nouvel enregistrement. Cette série unique permet de documenter la signature isotopique du cycle hydrologique atmosphérique en Terre Adélie toute l'année. J'ai étudié l'influence des vents catabatiques, de la glace de mer et des rivières atmosphériques sur le signal enregistré dans la vapeur. Ces résultats préliminaires ouvrent des perspectives pour l'interprétation des carottes de névé récemment forées dans le cadre du programme ASUMA
In a global warming context, understanding the evolution of sea level rise is a major challenge. It is key to estimate the evolution of the atmospheric hydrological cycle in the polar regions, which directly influences the surface mass balance of the Arctic and Antarctic ice caps (the two largest freshwater reservoirs on the planet). Records are available from satellite data for the last 50 years and a few rare weather data since the 50's in Antarctica, but these records are too short to study the patterns of interannual variability and the difference between anthropogenic and natural signals. One of the best ways to access longer records is to use climate proxies in snow cores. The water isotopic composition in these cores is widely used to reconstruct past temperature variations. However, the link between temperature and isotopic composition is not very well constrained because many other parameters influence the isotopic composition of snow at the time of its formation (i.e. temperature, altitude, humidity, origin of the air mass) or after snow deposition on the surface (i.e. atmosphere-snow exchange, signal scattering, sublimation of surface snow).The objective of this thesis is to better understand the atmospheric hydrological cycle and its influence on the isotopic composition of vapour and precipitation in polar regions with the idea of improving the interpretation of snow core records in these regions. This work is divided into 3 parts.Firstly, we developed a technical solution to meet the challenge of measuring the vapor isotopic composition all year round in polar regions. Indeed, winter being very dry in these regions (down to 10 ppmv at Dome C in winter), the use of a Picarro laser analyzer is limited because it is very sensitive to humidity variations below 2000 ppmv. Winter is a key season in the polar regions as it is associated with significant climate variability due to numerous synoptic events. During this thesis, the fabrication of 2 prototypes of low humidity level generator (LHLG) allowed the calibration of the Picarro analyzers over a range of 200 to 2500 ppmv.Then, I analyzed the longest series of vapor and precipitation isotopic composition measurements ever performed in a polar region: 4.5 years continuously at 78°N in Svalbard. I showed that the water isotopic composition at this measurement site was unsignificantly influenced by local processes. Thanks to this, I was able to attribute the observed winter variability to synoptic events and thus assign a different isotopic signature to the air masses according to their origin (North Atlantic or Arctic).Finally, I installed the new calibration instrument (LHLG) built at the beginning of my PhD at Dumont D'Urville (DDU), on the coast in Terre Adélie. Thanks to this, the first continuous measurement campaign of the vapor isotopic composition at DDU initiated in January 2019 is still ongoing. I present here the first 22 months of this new record. This unique series makes possible to document the isotopic signature of the atmospheric hydrological cycle in Terre Adélie all year round. I have studied the influence of katabatic winds, sea ice and atmospheric rivers on the signal recorded in the vapor. These preliminary results open perspectives for the interpretation of recently drilled cores from the ASUMA program

Afin d'étudier le cycle de l'eau à l'échelle régionale, le couplage d'ISBA (le schéma de surface de Météo-France) avec MODCOU (le modèle hydrologique de l'Ecole des Mines de Paris) a été mis au point sur le Rhône pour l'année 1987/88 par Habets (1998). En raison de la forte composante nivale alpine du bassin, CROCUS (le modèle de neige de Météo-France) a été rajouté dans le système complet. La simulation du bassin versant du Rhône a ensuite été étendue à 14 années (de 1981 à 1994). Les forçages atmosphériques ont été analysés à l'aide du système SAFRAN, spécialement conçu pour les zones de relief. Bien qu'aucun étalonnage sur les débits n'ait été réalisé, les résultats du système sont validés de manière satisfaisante par comparaison avec les débits quotidiens observés en 145 stations de jaugeage sur les grands cours d'eau du bassin versant du Rhône. L'enneigement simulé reproduit bien les hauteurs de neige observées quotidiennement pour 24 postes d'altitude. Le bilan hydrique du bassin apparaît très contrasté et met en lumière trois grands ensembles : les bassins nivo-pluviaux et humides du nord (Saône, Doubs, Ain), les bassins pluviaux et secs du sud (basse Durance, Ardèche) et les bassins alpins fortement enneigés (Isère, Drac, Haute-Durance). L'outil ainsi validé a ensuite été utilisé pour évaluer l'impact d'un changement climatique sur les grandes composantes hydriques du bassin versant. Une attention particulière a également été apportée à l'impact d'une augmentation de la résolution des calculs sur la qualité de la simulation du bassin nival de la Haute-Durance.

La vapeur d'eau atmosphérique est un élément important du cycle hydrologique. Ce gaz à effet de serre a des effets dominants sur le climat et sur le réchauffement climatique. Sa distribution est très variable à l'échelle mondiale et temporelle et ses mécanismes de répartition peu connue. Cette thèse porte d'une part sur l'étude de la colonne totale de vapeur d'eau au dessus de l'Observatoire de Haute Provence (OHP), mesurée avec les instruments SAOZ et Elodie depuis le sol, et avec les instruments embarqués sur satellite, GOME, GOME2 et SCHIAMACHY, et d'autre part sur la région côtière de la Méditerranée grâce aux données des mêmes satellites. L'analyse de ces données disponibles de 1995 à 2009 a permis leur validation, l'interprétation des champs de variabilités de la vapeur d'eau intégrant les mécanismes de distribution géographiques à l'échelle de l'OHP, ainsi que de leurs variations saisonnières et de leurs tendances à long terme au dessus de l'OHP et de la Méditerranée
The atmospheric water vapor is an important component of the hydrologic cycle. As greenhouse gas it has dominant effects on climate and global warming. Its distribution is highly variable at global and temporal scales and its mechanisms still poorly understood. This thesis deals with one hand on the study of total column water vapor over the Observatoire de Haute Provence (OHP) in Southern France, measured with instruments SAOZ and Elodie from the ground, and with instruments on satellites, GOME, and GOME2 SCHIAMACHY, and the other hand on the Mediterranean coastal region using data from the same satellites. Analysis of these data available from 1995 to 2009 allowed their validation and interpretation of field variability of water vapor incorporating the mechanisms of geographical distribution across the OHP, and their seasonal variations and their long-term trends over the OHP and the Mediterranean

L'importance climatique des hautes latitudes est exacerbée par le contexte actuel du réchauffement climatique, de part de leur forte sensibilité à ces changements et en raison des rétroactions globales majeures qu'elles sont susceptibles d'engendrer. La modélisation offre un moyen d'estimer ces impacts dans les temps passés, présents et futurs, tout en quantifiant les incertitudes procédant des imperfections de notre connaissance de ces environnements et de leur représentation. L'amélioration et l'évaluation de la représentation des hautes latitudes dans les modèles de climat globaux répondent donc à de forts enjeux scientifiques et sociétaux : c'est dans ce cadre précis que s'inscrit mon travail de thèse. Le gel des sols est une spécificité majeure des régions circum-arctiques, porteuse d'implications climatiques aux plans thermiques, hydrologiques et biogéochimiques. Une paramétrisation des impacts hydrologiques du gel des sols a été introduite dans le schéma hydrologique multi-couches du modèle de surfaces continentales ORCHIDEE : ses effets sur le contenu en eau des sols et le régime hydrologique des principaux bassins de l'Arctique ont été évalués par comparaison à des données de terrain, révélant la plus-value d'une telle représentation mais aussi les lacunes résiduelles de la modélisation, qui touchent à l'absence de représentation des réservoirs temporaires d'eau de surface et, sans doute, d'une paramétrisation sous-maille du gel des sols. Parallèlement, une représentation des effets thermiques du gel des sols développée pour un modèle antérieur à ORCHIDEE a été révisée et évaluée à différentes échelles spatiales par comparaison à des données observationnelles : si la représentation de l'énergie de chaleur latente augmente la température des sols soumis au gel saisonnier, un biais froid subsiste dans la modélisation, imputable à une représentation imparfaite de la neige. Une étude de sensibilité conduite sur cette variable en confirme les implications thermiques mais aussi biogéochimiques à l'échelle des régions circum-arctiques, sous-tendues par les importantes quantités de matière organique que ces régions renferment. Alors que les caractéristiques de la neige sont souvent représentées comme spatialement uniformes dans les modèles de climat globaux, la simple prise en compte du caractère particulièrement isolant de la neige de taïga engendre des changements importants dans le cycle du carbone aux hautes latitudes, et souligne les incertitudes entachant notre représentation actuelle de ces écosystèmes. Les propriétés thermiques de la neige n'en sont pas l'unique vecteur, mais une évaluation détaillée de notre modélisation sur un site de permafrost arctique (station de Bayelva, Svalbard) désigne la neige comme une source majeure des incertitudes associées à notre modélisation des hautes latitudes, au travers de représentations inadaptées de son albédo, sa rugosité de surface, son contenu variable en eau liquide pouvant accommoder de l'eau de pluie. En termes hydrologiques, l'absence de représentation spécifique des zones de montagne, des caractéristiques hydrauliques des sols à granulométrie grossière du Haut-Arctique, et des nombreuses étendues d'eau libre des régions circum-arctiques, limite notre capacité à représenter raisonnablement des principales caractéristiques de l'hydrologie de surface de ces régions. Le diagnostique de ces limites définit autant de potentiels d'amélioration de la modélisation des hautes latitudes, sources possibles de développements futurs.

Le cycle de l'eau en région Cévennes-Vivarais est influencé par l'interaction entre masses d'air et sol. La topographie est partagée entre une plaine et un plateau par des vallées encaissées, délimitées par de petits massifs montagneux. Des systèmes convectifs produisent des précipitations sur une large gamme d'échelles. Ces échelles météorologiques et topographiques interagissent. L'analyse de données pluviométriques permet de lier l'échelle temporelle des phénomènes météorologiques à la topographie. Cette dernière a plus d'impact sur les pas de temps longs. La modélisation numérique est indispensable à la compréhension des phénomènes météorologiques. Une partie de cette thèse est consacrée à la recherche d'échelles où la simulation est valide. La modélisation est utilisée pour comprendre le lien entre la topographie, l'humidité des sols et les événements pluvieux sensibles à pas de temps long
Hydrometeorological data are analyzed to better understand and represent the space variability of rainfall in the Cévennes-Vivarais region. The analysis of raingauge databases shows that the statistical properties of rainfall do not depend on the localisation of the mountains for short integrating limes. But if the rainfall is integrated on longer time steps, its statistical properties are highly correlated with the topography. Numerical simulations show that shallow convection is very sensitive to atmospherical forcing, especially through the way the air masses "read" the topography. The impact of soil humidity is less important; it can nevertheless change the stratification of the atmosphere up to more th an 1 km. A method to validate simulations is developed. Il allows comparing the scale of the simulation errors with the scale of the hydrosystems. This method is tested with idealised rainfalls, then with real rainfalls but idealised simulation errors, then with real simulations

Des échantillons de matières en suspension ont été prélevés en différents endroits et saisons, le long de profils verticaux et transversaux, sur les fleuves Amazone, le Negro, le Solimões et le Madeira. Leurs compositions isotopiques du fer ont été étudiées pour les relier aux différents paramètres physico-chimiques et vérifier les possibles sources de Fe. Pour tous les cours d'eau étudiés, le d57FeIRMM-14 des matières en suspension ne présentent pas de relation avec les profils verticaux ou transversaux. Les rivières d'eau blanche (i. E. , l'Amazone, le Solimões et le Madeira) gardent leur composition isotopique constante et semblable à la croute continentale (d57FeIRMM-14 ~ 0. 1‰), même en différentes époques. Par contre, la rivière Negro montre des résultats négatifs et des variations au cours du cycle hydrologique. Dans les rivières d'eaux blanches peu ou pas de fractionnement se produit pendant le transport du fer à partir de sources clastiques (fragments de roche) jusqu'au lit de ces rivières. D'autre part, les principales sources de matière organique et de fer réduit pour le bassin du Rio Negro sont les podzols qui se rencontrent dans cette région. Les résultats pour le fleuve Amazone indiquent que l'influence de la composition isotopique du fer des matières en suspension des rivières Solimões et Madeira est beaucoup plus forte que la contribution négative du fer isotopique de la matière en suspension du Negro, qui est riche en matière organique. Il est déduit, sur la base de cette étude, que le fleuve Amazone fournit à l'océan Atlantique une matière en suspension dont la composition isotopique de fer est semblable à celle de la croûte continentale
Suspended matter samples were collected during field campaigns on the Amazon, the Negro, the Solimões and the Madeira rivers. They were investigated for their iron isotope composition in order to verify the possible sources of iron and relate them to different physico-chemical parameters. The samples were collected in different locations and seasons, along depth and lateral profiles. For all the rivers studied, the suspended matter iron isotopic compositions do not display any relation with depth or lateral profiles. White water rivers (i. E. , Amazon, the Solimões and the Madeira) keep their isotopic composition constant and similar to the calculated mean value for the continental crust (d57FeIRMM-14 = 0. 1 ± 0. 03‰), even in different seasons. On the other hand, the Negro River show negative results and variations during the hydrological cycle. In white water rivers little or no fractionation occurs during the transport of iron from clastic sources (rock fragments) to the mainstream of these rivers. On the other hand, the main source of organic matter and reduced iron for the Negro River Basin are podzols that occur in this area. The Amazon River results indicate that the influence of suspended matter with continental crust-like iron isotopic composition from the Solimões and the Madeira rivers to the Amazon River is much stronger than the contribution of negative, organic-rich, suspended matter iron isotopic composition from the Negro River, which is organic-rich. It is inferred, on the basis of this study, that the Amazon River delivers to the Atlantic Ocean a slightly heavy and similar to the continental crust suspended matter iron isotopic composition

L'atmosphère tropicale est un système complexe de processus dynamiques et thermodynamiques. A cela, s’ajoute un forçage radiatif dû aux gaz à effet de serre anthropiques et au réchauffement climatique qui en résulte. Les projections climatiques supposent souvent que le paramètre de rétroaction est constant dans le temps, de sorte que les changements de flux radiatif sont proportionnels aux changements de température de surface. En fait, les incertitudes de projections sont associées à la réponse du cycle de l’eau atmosphérique au réchauffement de la surface et motivent ainsi la nécessité de mieux comprendre les processus liant les nuages, la circulation de l’eau atmosphérique et le climat.Ce travail vise à améliorer notre compréhension de la co-variabilité des température de surface de la mer (SST), humidité relative (HR), nuages ​​et précipitations, à différentes échelles temporelles et spatiales dans la ceinture tropicale (30°N à 30°S). Il repose sur un ensemble unique de mesures de journée (13h30) de haute résolution verticale qui regroupe le profil HR, les caractéristiques des nuages ​​et les précipitations près de la surface fournis par le radiomètre micro onde SAPHIR, le lidar CALIOP et le radar CPR. Ces données ont une résolution horizontale de 1° par 1° et couvrent la période de 2012 à 2018. Elles sont associées aux champs de SST et de vitesse verticale de l'atmosphère des réanalyses ERA5.Cet ensemble de données a été exploré selon deux axes:(i) Le premier axe était focalisé sur la co-évolution des profils de HR, de la couverture nuageuse et de la SST, sous contrainte de circulation à grande échelle en exploitant l’échelle instantanée de variation. À notre connaissance, il s’agit d’une première analyse intégrant entièrement des observations de la réponse du cycle de l’eau atmosphérique tropicale à la SST à cette échelle. Des relations physiques sont établies pour les différents régimes de circulation de grande échelle, et leurs caractéristiques se maintiennent avec la variabilité naturelle du climat (comme El Niño-Southern Oscillation). Ainsi, le régime subsident est caractérisé par une troposphère libre sèche et une décroissance, avec l’augmentation de la SST, de la fraction de nuages opaque de phase liquide, et un refroidissement prévu par ciel clair avec SST. Le régime ascendant est caractérisé par des variations non linéaires de la fraction de nuages de phase glacée et d'HR de la troposphère avec un maximum autour d’une SST de 302 K, ce qui implique des impacts non linéaires sur les flux radiatifs.(ii) Le deuxième axe qui a été considéré portait sur l'hypothèse de facteurs de rétroaction invariants dans le temps aux échelles journalière, mensuelle, saisonnière et annuelle. Les taux de changement de l'humidité relative et des caractéristiques des nuages ​​avec la SST définis à l'échelle globale (océans tropicaux) sont comparés aux taux de changement calculés localement, sur chaque point de la grille. Ainsi, à l'échelle globale, les changements en profil de HR et en température des nuages de glace sont peu significatifs , tandis que la couverture de nuages opaques diminue et que l'altitude des nuages ​​de glace augmentent. Ces résultats suggèrent un renforcement du refroidissement radiatif de ciel clair avec la SST, alors que la température d'émission des nuages est invariante, ce qui est à la base de certaines hypothèses sur le fonctionnement de l’atmosphère tropicale. Ces résultats mettent en évidence des différences significatives en fonction de l'échelle de temps considérée, et qui peuvent ainsi être utilisés comme diagnostic pertinent pour l'évaluation des modèles climatiques. Une première analyse du modèle climatique de l’IPSL a été réalisée et souligne l'intérêt de tels diagnostiques basés sur des observations
The tropical atmosphere is a complex system of dynamic and thermodynamic processes. Superimposed on these complexities is a radiative forcing due to anthropogenically emitted greenhouse gases and a resulting global warming. Climate projections often assume that the feedback parameter is constant in time, so that changes in radiative flux are proportional to changes in surface temperature. Projection uncertainties are associated with the atmospheric water cycle’s response to surface warming, and motivate the need to better understand processes linking clouds, circulation of atmospheric water and climate.This work aims to improve our understanding of the covariability of sea surface temperature (SST), relative humidity (RH), clouds and precipitation, on different temporal and spatial scales in the tropical belt (30°N-30°S). It relies on a unique synergistic dataset of high vertical resolution that measures the daytime (01:30 pm) RH profile, cloud characteristics and near-surface precipitation provided by the microwave radiometer SAPHIR, the CALIOP lidar and the CPR radar. This dataset has a 1° by 1° horizontal resolution and covers the time period 2012 to 2018. It is associated to SST and atmospheric vertical velocity fields of the ERA5 reanalysis.The synergistic dataset was explored along two scientific questions:(i) The first question concerned the instantaneous timescale and the co-evolution of RH profiles, cloud cover and SST, under large-scale circulation constraint. To our knowledge, this is the first comprehensive observational view of the tropical atmospheric water cycle’s response to SST on the instantaneous timescale. Different physical relationships are established for the different large-scale circulation regimes, and their characteristics are robust to natural variability (such as El Niño-Southern Oscillation). The descending regime is characterized by a dry free troposphere and decreasing opaque liquid cloud cover with SST, and an expected clear-sky cooling with SST. In contrast, the ascending regime is characterized by a nonlinear response in ice cloud cover and free-tropospheric RH with SST that peak around the 302 K SST, which likely induce nonlinear responses of the radiative fluxes.(ii) The second question addressed the assumption of timescale-invariant feedback factors on daily, monthly, seasonal and annual scales. Rates of changes of RH and cloud characteristics with SST defined on the global scale (tropical oceans) are compared to rates of changes computed on the grid box scale. On the global scale, negligible changes are observed in the RH profile with SST, opaque cloud cover decreases, and ice cloud altitudes rise with SST with little change in cloud temperature. These results suggest an enhanced clear-sky radiative cooling with SST, whilst cloud emission temperatures are invariant, as discussed in some assumptions on the tropical atmosphere. Overall, the results highlight significant differences according to the timescale considered for computing global scale rates of changes, which can be used as a strong diagnostic in the evaluation of climate models. Following this, a first analysis of the IPSL model was performed and shows the interest of such diagnostic based on observations

Cette thèse porte sur l’impact du type de sol sur le fonctionnement biogéochimique d’un écosystème forestier typique d’Europe centrale et occidentale. Pour cette étude, un dispositif expérimental a été mis en place par l’INRA et l’ANDRA au sein d’une hêtraie (Fagus sylvatica) dans la forêt de Montiers-sur-Saulx (Meuse, France) afin de suivre les cycles biogéochimiques entre les différents compartiments de l’écosystème (l’atmosphère, la canopée, la litière et le sol). L’intérêt particulier du site expérimental de Montiers vient du contraste important entre les types de sols pour un même peuplement : rendisol, calci-brunisol et alocrisol/brunisol. Pour la première fois, les stocks et les flux de l’eau et des éléments ont été mesurés et comparés in situ et sur le long terme (entre janvier 2012 et décembre 2015) sur des sols forestiers différents, toutes les autres conditions du site égales par ailleurs (climat, apports atmosphériques, âge et structure du peuplement). Les stocks totaux et échangeables dans le sol et les stocks dans les différents compartiments de la biomasse végétale (branches, tronc, racines grosses et fines) ont été déterminés par le biais d’analyses chimiques et de modélisations. Les flux élémentaires ont été calculés à partir des prélèvements mensuels des solutions de l’écosystème (dépôt atmosphérique, pluviolessivat, écoulement de tronc, solutions libres et liées du sol) et des chutes de litière. Le modèle hydrique BILJOU© a été utilisé pour estimer les composantes du bilan hydrique de l’écosystème. Les résultats montrent que la réserve utile du sol, les stocks des éléments dans le sol, les compositions chimiques des solutions du sol, la stratégie de colonisation racinaire et la production de biomasse pérenne diffèrent fortement en fonction du type de sol. Contrairement à ce que l’on pouvait supposer compte tenu des différences marquées entre les signatures chimiques des solutions des trois sols, les compositions foliaires du peuplement et les flux des éléments hors sol en solution (échange de la canopée, apport au sol) et sous forme solide (chute de litière) ne diffèrent pas ou peu entre les trois stations expérimentales pour la majorité des éléments. La part biologique des cycles minéraux est globalement prédominante et le renouvellement des racines fines représente un flux de recyclage généralement supérieur à la chute de litière aérienne. Nous montrons également que la quantité d’eau transpirée par la canopée, directement liée à la taille de la réserve utile du sol, est le facteur de contrôle principal de la productivité du peuplement à l’échelle annuelle. Des processus d’adaptation du peuplement aux conditions physico-chimiques du sol semblent réduire, voire compenser entièrement, les facteurs secondaires de contrôle de la productivité du peuplement (notamment la disponibilité des nutriments dans le sol). Ainsi un enjeu significatif pour les gestionnaires forestiers pourrait être l’adaptation des pratiques sylvicoles à des parcelles de gestion davantage basées sur les propriétés physiques des sols, et en particulier les profondeurs d’apparition de la roche-mère et de colonisation racinaire
This thesis deals with the impact of soil type on the biogeochemical functioning of a typical forest ecosystem of Central and Western Europe. For this study, a strongly instrumented experimental site was implemented in a beech stand (Fagus sylvatica) within the state forest of Montiers-sur-Saulx (Meuse, France), in order to monitor the biogeochemical cycling between the different compartments of the ecosystem (the atmosphere, the canopy, the forest floor and the soil). The particular value of the Montiers experimental site resides in the strong contrast between soil types under the same beech stand: Rendzic Leptosol, Eutric Cambisol and Dystric Cambisol. For the first time, stocks and fluxes of water and elements were measured and compared in situ and over the long term (from January 2012 to December 2015) on different forest soil types, all other site conditions being equal (climate, atmospheric inputs, stand age and structure). Total and exchangeable pools in the soil and stocks in the different compartments of the vegetation (branches, trunk, fine and coarse roots) were determined via chemical analysis and modelisation. Fluxes of elements were calculated from monthly sampling of the ecosystem’s solutions (atmospheric deposition, throughfall, stemflow, gravitational and bound soil solutions) and of litter fall. The water balance model BILJOU© was used to estimate the different components of the water budget. The results show that the soil water holding capacity, the stocks of elements in the soil, the chemical composition of soil solutions, the rooting strategy and the perennial biomass production differ strongly between soil types. Contrary to what might have been expected in regard to the marked differences between the chemical signatures of the soils solutions in the three soils, the foliar elemental composition of the beech stand and the aboveground fluxes of elements in solution (canopy exchange, stand deposition) and in solid state (litter fall) do not differ significantly between the three experimental stations for the majority of the studied elements. The biological part of the mineral cycles is overall predominant and the recycling through fine roots turnover is generally higher than litter fall. We also show that the quantity of water transpired by the forest canopy, directly linked to the soil water holding capacity, is the primary control factor of the annual stand productivity. Stand adaptation mechanisms to physico-chemical soil properties seemed to reduce, or even entirely compensate for, secondary factors controlling the stand productivity (in particular nutrient availability in the soil). Thus a significant issue for forest managers might be to further adapt forestry practices to management units based on soil physical properties, especially depth to the bedrock and rooting depth

Le Modèle Régional Canadien du Climat (MRCC) fait partie d'une grande variété de modèles climatiques développés à travers le monde. Basé sur les lois fondamentales de la physique et sur les techniques numériques les plus modernes et les plus performantes, il génère des variables avec une bonne résolution spatiale qui sont physiquement cohérentes entre elles. Dans le cadre de cette thèse, le MRCC est utilisé pour étudier une large gamme de processus liés au cycle de l'eau. Une approche intégrée d'analyse et de validation du cycle hydrologique du modèle a été développée. Cette approche comprend une analyse à l'échelle multi-annuelle pour l'ensemble d'un bassin versant et intègre les deux branches du cycle hydrologique : atmosphérique et terrestre. Cette façon de procéder nous a permis d'évaluer la capacité de trois versions du MRCC à simuler correctement chacune des composantes du bilan hydrologique. Parallèlement, la sensibilité de ces composantes aux différents paramétrages physiques a été examinée. Dans un premier temps, les comosantes du cycles hydrologiques sur le bassin versant du Mississippi simulées par les versions 3.6 et 4.0 du MRCC ont été comparées et évaluées par les observations et quasi-observations (estimations basées sur les observations et sur une analyse du bilan de l'eau). Les changements entre la version 3.6 et 4.0 portent sur plusieurs éléments: le schéma de radiation solaire à deux bandes a été remplacé par un schéma à quatre bandes; le schéma de surface de la première génération a été changé par un schéma beaucoup plus sophistiqué de la deuxième génération ; les traitements de couverture des nuages et du transfert turbulent dans la couche limite ont été également améliorés. L'effet net de tous ces changements dans les paramétrages physiques du MRCC est une réduction importante des biais moyens annuels d'évapotranspiration (de 42% à 10%) et de précipitation (de 17% à -6%) ainsi qu'une meilleure représentation de la distribution spatiale de ces variables. Les cycles annuels de précipitation, d'évapotranspiration, de convergence de flux d'humidité et de tendance dans le stockage de l'eau terrestre ont également montré une amélioration importante. Cependant, le biais annuel du ruissellement a légèrement augmenté (de -41 % a -45%). Dans un deuxième temps, une paire de simulations se distinguant seulement par le paramétrage de processus de surface a été analysée afin de mieux comprendre le rôle de ces processus dans le cycle hydrologique du modèle. Les résultats de l'analyse, effectuée sur trois grands bassins versants (Mississippi, Saint-Laurent et Mackenzie), montrent que le schéma simple de la première génération a d'importantes limitations dans la simulation des processus associés à l'évapotranspiration. Si les biais dans les moyennes annuelles des composantes principales du cycle de l'eau pour les simulations basées sur les deux schémas de surface sont plutôt similaires, les cycles annuels basés sur le schéma de la première génération montrent des biais très grands. L'analyse d'une autre paire de simulations, générées avec la même version du modèle, mais pilotées avec des réanalyses atmosphériques différentes, a mis en évidence la sensibilité du cycle hydrologique aux données utilisées pour piloter le modèle régional à ses frontières. La sensibilité aux données du pilote est en général plus faible que la sensibilité au schéma de surface et s'est montrée plus grande pour les bassins nordiques (Mackenzie et Saint-Laurent). L'analyse d'une troisième paire de simulations avec des conditions initiales différentes a montré que la variabilité interne du modèle à l'échelle multi-annuelle sur l'ensemble d'un bassin versant est négligeable par rapport aux modifications introduites par le changement du schéma de surface et du pilote. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Cycle hydrologique, Bassin versant, Modèle climatique, Paramétrages physiques.

L'eau est à la fois ressource et source de danger dans nos sociétés. Elle est aussi l'un des principaux acteurs du climat. Que ce soit pour la gestion des ressources en eau, la prévention des extrêmes climatiques ou une meilleure compréhension du climat, une bonne connaissance du cycle hydrologique est clairement indispensable. Ce projet consiste en l'étude du bilan d'eau atmosphérique tel que simulé par le Modèle Régional Canadien du Climat (MRCC) piloté par le Modèle Climatique Canadien Global (MCCG3) au-dessus de l'Amérique du nord. Deux simulations de 30 ans sont considérées, représentant pour l'une le climat actuel, et pour l'autre un climat futur plus chaud, selon le scénario A2 du Rapport Spécial sur les Scénarios d'Emission. La climatologie actuelle du bilan d'eau atmosphérique de ces deux climats est étudiée par le calcul de statistiques saisonnières pour les saisons d'été et d'hiver. Les variables du bilan d'eau sont de plus décomposées en trois échelles spatiales: une très grande échelle résolue par le MCCG3 et imposée au MRCC par le pilotage, une grande échelle résolue à la fois par le MRCC et le MCCG3, et une petite échelle résolue uniquement par le MRCC. La divergence horizontale du flux d'humidité atmosphérique est également décomposée de façon alternative en 9 termes d'interaction impliquant une des trois échelles de vent et d'humidité. Cette décomposition d'échelle permet d'une part d'explorer la contribution des différentes échelles à la climatologie du bilan d'eau atmosphérique, et d'autre part d'évaluer la valeur ajoutée des fines échelles du MRCC en les comparant aux plus grandes échelles du modèle. Les résultats traduisent des climatologies distinctes du bilan d'eau atmosphérique pour la saison d'hiver, dominée par le passage des dépressions des moyennes latitudes, et la saison d'été, où davantage de convection se produit. La contribution des petites échelles à la moyenne saisonnière des variables du bilan d'eau apparaît très limitée. En revanche, elle s'avère être importante pour leur variabilité intrasaisonnière, suggérant une valeur ajoutée importante des petites échelles. La comparaison des deux simulations de climat révèle une intensification générale de la branche atmosphérique du cycle hydrologique dans le climat futur simulé par le MRCC, comparable en termes relatifs pour les champs de moyenne et de variabilité temporelle. Elle apparaît également plus forte en termes relatifs en hiver qu'en été. Les changements observés, ainsi que la contribution des différentes échelles à ces changements, présentent des patrons cohérents avec ceux des variables dans le climat présent et sont gradués en amplitude selon l'intensité des signaux du climat présent. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : MRCC, Décomposition d'échelle, Bilan d'eau atmosphérique, Changement climatique, Valeur ajoutée.

Une hausse de la moyenne globale de la température est attendue d'ici la fin du siècle. Ce changement aura des conséquences sur le cycle de l'eau. L'humidité du sol fait partie de ce cycle et pourrait être modifiée au cours des prochaines années. Certaines régions dépendent, dans une certaine mesure, de la quantité d'eau dans le sol pendant la saison estivale plus particulièrement. Les régions où cette dépendance est présente pourraient migrer en réponse à la hausse de la température et de la modification du cycle de l'eau. À l'aide du MRCC et du schéma de surface intégré (CLASS), l'évaluation de la représentation de la quantité d'eau dans le sol sera comparée avec les observations et les évaluations qualitatives d'estimation de l'humidité du sol afin de déterminer si le modèle définit bien cette mesure. Le changement appréhendé de l'humidité du sol pour les périodes futures sera évalué. La migration possible des zones de couplage sol-atmosphère sera estimée à l'aide de différents outils disponibles. L'utilisation d'un modèle régional (MRC) va permettre de représenter l'humidité du sol et les autres champs météorologiques avec une plus haute résolution. La majorité des études effectuées sur le sujet proviennent de modèles de circulation générale (MCG) et l'utilisation d'un MRC pourra amener une meilleure perspective. Les résultats de l'évaluation de l'humidité du sol démontrent certaines lacunes dans le cycle annuel surtout vers la fin de l'été et à l'automne. La représentation de la 3e et dernière couche comporte un biais important face aux observations. Dans l'ensemble, les tendances sont assez bien respectées, par contre, certaines différences existent au niveau de l'intensité des événements extrêmes. Au niveau du changement appréhendé de l'humidité du sol, certains résultats des autres études concordent avec ceux obtenus dans le cadre de celle-ci. Une diminution de la quantité d'eau dans le sol pour les régions subtropicales de l'Amérique du Nord est attendue. Pour les latitudes moyennes, une augmentation durant l'hiver et une baisse durant l'été sont appréhendées. Au niveau des hautes latitudes, les autres études ne s'entendent pas exactement sur le sens du changement. Dans cette recherche, la fonte du pergélisol semble un élément important particulièrement pour la couche la plus profonde. En effet, le ruissellement est important en raison du type de sol présent qui joue un rôle prépondérant dans les résultats obtenus. Les différents outils utilisés afin d'évaluer le changement au niveau de l'intensité du couplage sol-atmosphère indiquent la possibilité d'une migration vers le nord-est des États-Unis, le centre-nord des États-Unis, les Prairies canadiennes et, à la limite, le sud-est du Canada pendant la saison estivale d'ici la fin du siècle. En effet, le déplacement des zones de corrélation positive entre l'évaporation et l'humidité du sol de la première couche vers le nord et l'est de l'Amérique du Nord est un élément qui laisse envisager cette possibilité. L'augmentation de la variabilité de l'évaporation et de la température pour le nord-est des États-Unis et les Prairies canadiennes est un autre élément qui joue un rôle vers la modification des zones où le couplage est important. Des distributions journalières ayant deux modes ont été obtenues dans des bassins versants qui se situent dans des régions de couplage ou qui pourraient s'y retrouver au cours des prochaines années. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : modèle régional du climat, cycle de l'eau, humidité du sol, changements appréhendés, couplage sol-atmosphère