Dissertations / Theses on the topic 'Attribution des événements extrêmes'

Le réchauffement climatique altère la fréquence et la sévérité des événements météorologiques extrêmes, tels que les vagues de chaleur, les inondations et les tempêtes. Ces événements ont des impacts immédiats et observables, tels que des pertes économiques ou des pertes de vie. L'attribution des événements extrêmes, initialement conçue comme un outil d'évaluation de la responsabilité des dommages, a rapidement évolué vers différentes approches visant à quantifier l'influence du changement climatique sur la dynamique, les risques et les impacts de tels événements extrêmes. Pour certains extrêmes, en particulier ceux principalement influencés par la dynamique tels que les tempêtes extratropicales, la confiance dans l'attribution et les projections futures reste faible.Dans cette thèse, nous évaluons les changements observés dans les tempêtes extratropicales sévères et leurs risques météorologiques en Europe occidentale dans un climat plus chaud. Certaines des tempêtes analysées sont Alex, en octobre 2020, Xynthia, en février 2010, et Eunice, en février 2022. Chacune présente des caractéristiques uniques, mais nous pouvons identifier des motifs similaires pour une analyse comparative. Ainsi, nous explorons le concept d'analogues météorologiques, qui représentent des motifs récurrents de circulation atmosphérique. Nous identifions des analogues de tempêtes extratropicales sévères dans deux climats différents, caractérisés par une faible et une forte influence humaine sur le climat, dans les réanalyses et les modèles climatiques. Nous avons constaté des augmentations cohérentes des précipitations et de la vitesse du vent associées à ces tempêtes dans un monde plus chaud, les facteurs de ces changements variant d'un cas à l'autre.Alors que l'analyse des modèles à grande échelle des tempêtes à travers l'Atlantique Nord est fondamentale pour comprendre les tendances générales dans la dynamique et les risques dans divers endroits, se concentrer sur des tempêtes spécifiques, comme réalisé dans cette thèse, peut offrir des perspectives supplémentaires. Des tempêtes spécifiques résultent d'une combinaison de processus complexes, ce qui en fait des études de cas précieuses pour étudier l'influence du changement climatique sur leur comportement. En examinant des motifs spécifiques et leurs analogues, nous reconnaissons la nature chaotique de l'atmosphère, et en fournissant des évaluations localisées, nous tenons compte des spécificités de la région.Les outils présentés ici peuvent être appliqués à d'autres tempêtes extratropicales dans le monde entier pour améliorer notre compréhension et fournir des évaluations locales. Notre recherche combine les connaissances météorologiques avec les sciences climatiques, dans le but de comprendre la nature évolutive des tempêtes violentes et les risques du changement climatique
Global warming is altering the frequency and severity of extreme weather events, such as heatwaves, floods, and cyclones. These events have immediate, observable impacts, such as economic losses or loss of life. Extreme event attribution, initially conceived as a tool for assessing liability for damages, has rapidly evolved into various approaches aimed at quantifying the influence of climate change on the dynamics, hazards, and impacts of such extreme events. For some extremes, particularly those predominantly influenced by dynamics such as extratropical storms, confidence in attribution and future projections remains low.In this thesis, we assess changes in observed severe extratropical storms and their meteorological hazards across Western Europe in a warmer climate. Some of the storms analyzed are Alex, in October 2020, Xynthia, in February 2010, and Eunice, in February 2022. Each of them exhibits unique characteristics, yet we can identify similar patterns for comparative analysis. Hence, we explore the concept of weather analogues, which represent recurrent patterns of atmospheric circulation. We identify analogues of severe extratropical storms in two different climates, characterized by weak and strong human influence on climate, in both reanalysis and climate models. We found an increase in precipitation and wind speed associated with these storms in a warmer world, with the drivers of such changes varying from case to case.While analyzing average large-scale patterns in storms across the North Atlantic is fundamental for understanding general trends in dynamics and hazards in various locations, focusing on specific storms, as conducted in this thesis, can offer additional perspectives. Specific storms result from a combination of complex processes that might not be fully captured in large-scale trends; thus, they can serve as case studies for investigating the influence of climate change on their behavior. By examining specific patterns and their analogues, we acknowledge the chaotic nature of the atmosphere, and by providing localized assessments, we consider the specificities of the area.The tools presented here can be applied to other extratropical storms worldwide to enhance our comprehension and provide local assessments. Our research combines meteorological knowledge with climate science, aiming to understand the evolving nature of severe storms and the hazards of climate change

Les événements extrêmes sont l'expression de la variabilité climatique naturelle. Puisque les émissions anthropiques affectent le climat mondial, il est naturel de se demander si les événements extrêmes observés récemment sont une manifestation du changement climatique. Cette thèse se propose de contribuer à la compréhension de l'influence du changement climatique anthropique sur les événements extrêmes observés, tout en évaluant si et comment cette information scientifique - et plus généralement, l'attribution d'événements extrêmes (AEE) - pourrait être utile à la société. Je propose des outils statistiques et j'utilise un ensemble d'entretiens qualitatifs pour répondre à ces questions.La partie statistique s'applique aux vagues de chaleur européennes. Je quantifie le rôle joué par la circulation atmosphérique dans l'intensité de quatre vagues de chaleur récente. Cette analyse s'appuie sur des analogues de circulations, qui identifient des jours ayant une circulation similaire à celle de l'événement étudié. Ensuite, je dissocie l'influence du changement climatique sur les processus dynamiques et non dynamiques menant aux vagues de chaleur. Je calcule des tendances sur l'occurrence de circulations favorisant les fortes chaleurs et sur la température pour une circulation fixée, pour les vagues de chaleur de 2003 en Europe de l'Ouest et de 2010 en Russie. Je trouve que la significativité des résultats dépend de l'événement étudié, ce qui montre l'intérêt de calculer des tendances pour des types de circulation atmosphérique précis.La partie épistémologique analyse les utilisations sociales potentielles de l'AEE. Je mesure comment elle pourrait informer les négociations internationales sur le climat, en particulier les pertes et préjudices, en réponse à des arguments de scientifiques dans ce sens. Je trouve que le seul rôle que l'AEE puisse jouer pour renforcer les pertes et préjudices est un rôle de sensibilisation des politiques, en marge du processus de négociations. Je compare également les motivations avancées par les scientifiques dans les entretiens avec les résultats existants sur l'utilité sociale de ce type d'information scientifique. Je montre que la pertinence sociale des résultats d'AEE est ambiguë, et qu'il y a un manque de données empiriques pour mieux comprendre comment différents acteurs s'approprient et réagissent à cette information
Extreme events are an expression of natural climate variability. Since anthropogenic emissions affect global climate, it is natural to wonder whether recent observed extreme events are a manifestation of anthropogenic climate change. This thesis aims at contributing to the understanding of the influence of anthopogenic climate change on observed extreme events, while assessing whether and how this scientific information - and more generally, the science of extreme event attribution (EEA) - could be useful for society. I propose statistical tools to achieve the former, while relying on qualitative interviews for the latter.The statistical part focuses on European heatwaves. I quantify the role played by the atmospheric circulation in the intensity of four recent heatwaves. This analysis is based on flow analogues, which identify days with a similar circulation pattern than the event of interest. I then disentangle the influence of climate change on the dynamical and non-dynamical processes leading to heatwaves. I calculate trends in the occurrence of circulation patterns leading to high temperatures and trends in temperature for a fixed circulation pattern, applied to the 2003 Western Europe and 2010 Russia heatwaves. I find that the significance of the results depend on the event of interest, highlighting the value of calculating trends for very specific types of circulation.The epistemological part evaluates the potential social uses of extreme event attribution. I assess how it could inform international climate negotiations, more specifically loss and damage, in response to a number of claims from scientists going in this direction. I find that the only potential role EEA could play to boost the loss and damage agenda would be to raise awareness for policy makers, aside from the negotiation process itself. I also evaluate how the different motivations stated by EEA scientists in interviews fare compared to the existing evidence on social use of this type of scientific information. I show that the social relevance of EEA results is ambiguous, and that there is a lack of empirical data to better understand how different non-scientific stakeholders react and appropriate EEA information

Les événements extrêmes sont l'expression de la variabilité climatique naturelle. Puisque les émissions anthropiques affectent le climat mondial, il est naturel de se demander si les événements extrêmes observés récemment sont une manifestation du changement climatique. Cette thèse se propose de contribuer à la compréhension de l'influence du changement climatique anthropique sur les événements extrêmes observés, tout en évaluant si et comment cette information scientifique - et plus généralement, l'attribution d'événements extrêmes (AEE) - pourrait être utile à la société. Je propose des outils statistiques et j'utilise un ensemble d'entretiens qualitatifs pour répondre à ces questions.La partie statistique s'applique aux vagues de chaleur européennes. Je quantifie le rôle joué par la circulation atmosphérique dans l'intensité de quatre vagues de chaleur récente. Cette analyse s'appuie sur des analogues de circulations, qui identifient des jours ayant une circulation similaire à celle de l'événement étudié. Ensuite, je dissocie l'influence du changement climatique sur les processus dynamiques et non dynamiques menant aux vagues de chaleur. Je calcule des tendances sur l'occurrence de circulations favorisant les fortes chaleurs et sur la température pour une circulation fixée, pour les vagues de chaleur de 2003 en Europe de l'Ouest et de 2010 en Russie. Je trouve que la significativité des résultats dépend de l'événement étudié, ce qui montre l'intérêt de calculer des tendances pour des types de circulation atmosphérique précis.La partie épistémologique analyse les utilisations sociales potentielles de l'AEE. Je mesure comment elle pourrait informer les négociations internationales sur le climat, en particulier les pertes et préjudices, en réponse à des arguments de scientifiques dans ce sens. Je trouve que le seul rôle que l'AEE puisse jouer pour renforcer les pertes et préjudices est un rôle de sensibilisation des politiques, en marge du processus de négociations. Je compare également les motivations avancées par les scientifiques dans les entretiens avec les résultats existants sur l'utilité sociale de ce type d'information scientifique. Je montre que la pertinence sociale des résultats d'AEE est ambiguë, et qu'il y a un manque de données empiriques pour mieux comprendre comment différents acteurs s'approprient et réagissent à cette information
Extreme events are an expression of natural climate variability. Since anthropogenic emissions affect global climate, it is natural to wonder whether recent observed extreme events are a manifestation of anthropogenic climate change. This thesis aims at contributing to the understanding of the influence of anthopogenic climate change on observed extreme events, while assessing whether and how this scientific information - and more generally, the science of extreme event attribution (EEA) - could be useful for society. I propose statistical tools to achieve the former, while relying on qualitative interviews for the latter.The statistical part focuses on European heatwaves. I quantify the role played by the atmospheric circulation in the intensity of four recent heatwaves. This analysis is based on flow analogues, which identify days with a similar circulation pattern than the event of interest. I then disentangle the influence of climate change on the dynamical and non-dynamical processes leading to heatwaves. I calculate trends in the occurrence of circulation patterns leading to high temperatures and trends in temperature for a fixed circulation pattern, applied to the 2003 Western Europe and 2010 Russia heatwaves. I find that the significance of the results depend on the event of interest, highlighting the value of calculating trends for very specific types of circulation.The epistemological part evaluates the potential social uses of extreme event attribution. I assess how it could inform international climate negotiations, more specifically loss and damage, in response to a number of claims from scientists going in this direction. I find that the only potential role EEA could play to boost the loss and damage agenda would be to raise awareness for policy makers, aside from the negotiation process itself. I also evaluate how the different motivations stated by EEA scientists in interviews fare compared to the existing evidence on social use of this type of scientific information. I show that the social relevance of EEA results is ambiguous, and that there is a lack of empirical data to better understand how different non-scientific stakeholders react and appropriate EEA information

Les îles coralliennes d’atolls et les zones basses des îles hautes tropicales sont considérées comme comptant parmi les territoires les plus vulnérables aux impacts des événements météo-marins extrêmes et aux conséquences attendues du changement climatique. Néanmoins, alors que les littoraux métropolitains ont bénéficié d’un effort significatif d’évaluation de leurs évolutions passées de long terme, les espaces insulaires tropicaux ultramarins sont les moins documentés à l’échelle du territoire français. Partant de ce constat, cette thèse propose d’investiguer le rôle des facteurs météo-marins (cyclones, houles) et anthropiques (rigidification du trait de côte, remblaiement) dans les évolutions passées d’îles coralliennes d’atolls de Polynésie française et de plages d’îles hautes du nord des Petites Antilles.Ces travaux se basent sur un protocole méthodologique couplant l’apport de la géomatique et de la photo-interprétation assistée par ordinateur et des relevés réalisés sur les terrains étudiés. À partir d’une analyse multiscalaire (spatiale et temporelle), ils détectent et attribuent les évolutions planimétriques qu’ont connues les systèmes sédimentaires côtiers des îles étudiées. Les résultats obtenus sur les îles coralliennes abondent dans le sens des études antérieures qui établissaient que la majorité des îles a été stable ou en extension à l’échelle des dernières décennies. Ils permettent de proposer des modèles conceptuels de trajectoires d’évolutions pluridécennales et interrogent les contributions respectives des différents facteurs d’évolution considérés. Sur les plages des îles hautes, ces travaux mettent en évidence que les caractéristiques locales des sites étudiés expliquent la très forte variabilité longitudinale des évolutions détectées dans différents contextes météo-marins. Au-delà, ces travaux contribuent à alimenter l’échantillon mondial d’îles étudiées à ce jour et participent à enrichir la connaissance sur les évolutions passées des outremers insulaires français
Low-lying reef islands and coastal areas of tropical mountainous islands are highly vulnerable to the impacts of tropical cyclones and the expected effects of climate change. However, while the French metropolitan coasts have benefited from a significant effort to assess their long-term changes, French overseas islands are the least documented areas in French Territory. Based on this observation, this thesis examines the respective contribution of natural and anthropogenic drivers in the past evolution of reef islands (French Polynesia) and mountainous island beaches (Northern Lesser Antilles). This study relies on a combined approach between geomatic and fieldwork. From a multi-scalar (spatial and temporal) analysis, we detect and attribute the planimetric changes experienced by the sedimentary systems of the studied islands. Results on reef islands are comparable to those of previous studies which established that most of the islands have been stable or in expansion over the last decades. They allow to suggest conceptual models of long-term trajectories and examine the respective contribution of the drivers considered in this study. On mountainous island beaches, this study shows that local settings explain the high longitudinal variability detected in various climatic situations. In addition, this study contributes to the global samples of studied islands and to move forward on the understanding of past coastal changes in French overseas islands

Dans cette de thèse, nous nous intéressons à la modélisation non paramétrique de données extrêmes spatiales. Nos résultats sont basés sur un cadre principal de la théorie des valeurs extrêmes, permettant ainsi d’englober les lois de type Pareto. Ce cadre permet aujourd’hui d’étendre l’étude des événements extrêmes au cas spatial à condition que les propriétés asymptotiques des estimateurs étudiés vérifient les conditions classiques de la Théorie des Valeurs Extrêmes (TVE) en plus des conditions locales sur la structure des données proprement dites. Dans la littérature, il existe un vaste panorama de modèles d’estimation d’événements extrêmes adaptés aux structures des données pour lesquelles on s’intéresse. Néanmoins, dans le cas de données extrêmes spatiales, hormis les modèles max stables,il n’en existe que peu ou presque pas de modèles qui s’intéressent à l’estimation fonctionnelle de l’indice de queue ou de quantiles extrêmes. Par conséquent, nous étendons les travaux existants sur l’estimation de l’indice de queue et des quantiles dans le cadre de données indépendantes ou temporellement dépendantes. La spécificité des méthodes étudiées réside sur le fait que les résultats asymptotiques des estimateurs prennent en compte la structure de dépendance spatiale des données considérées, ce qui est loin d’être trivial. Cette thèse s’inscrit donc dans le contexte de la statistique spatiale des valeurs extrêmes. Elle y apporte trois contributions principales. • Dans la première contribution de cette thèse permettant d’appréhender l’étude de variables réelles spatiales au cadre des valeurs extrêmes, nous proposons une estimation de l’indice de queue d’une distribution à queue lourde. Notre approche repose sur l’estimateur de Hill (1975). Les propriétés asymptotiques de l’estimateur introduit sont établies lorsque le processus spatial est adéquatement approximé par un processus M−dépendant, linéaire causal ou lorsqu'il satisfait une condition de mélange fort (a-mélange). • Dans la pratique, il est souvent utile de lier la variable d’intérêt Y avec une co-variable X. Dans cette situation, l’indice de queue dépend de la valeur observée x de la co-variable X et sera appelé indice de queue conditionnelle. Dans la plupart des applications, l’indice de queue des valeurs extrêmes n’est pas l’intérêt principal et est utilisé pour estimer par exemple des quantiles extrêmes. La contribution de ce chapitre consiste à adapter l’estimateur de l’indice de queue introduit dans la première partie au cadre conditionnel et d’utiliser ce dernier afin de proposer un estimateur des quantiles conditionnels extrêmes. Nous examinons les modèles dits "à plan fixe" ou "fixed design" qui correspondent à la situation où la variable explicative est déterministe et nous utlisons l’approche de la fenêtre mobile ou "window moving approach" pour capter la co-variable. Nous étudions le comportement asymptotique des estimateurs proposés et donnons des résultats numériques basés sur des données simulées avec le logiciel "R". • Dans la troisième partie de cette thèse, nous étendons les travaux de la deuxième partie au cadre des modèles dits "à plan aléatoire" ou "random design" pour lesquels les données sont des observations spatiales d’un couple (Y,X) de variables aléatoires réelles. Pour ce dernier modèle, nous proposons un estimateur de l’indice de queue lourde en utilisant la méthode des noyaux pour capter la co-variable. Nous utilisons un estimateur de l’indice de queue conditionnelle appartenant à la famille de l’estimateur introduit par Goegebeur et al. (2014b)
In this thesis, we investigate nonparametric modeling of spatial extremes. Our resultsare based on the main result of the theory of extreme values, thereby encompass Paretolaws. This framework allows today to extend the study of extreme events in the spatialcase provided if the asymptotic properties of the proposed estimators satisfy the standardconditions of the Extreme Value Theory (EVT) in addition to the local conditions on thedata structure themselves. In the literature, there exists a vast panorama of extreme events models, which are adapted to the structures of the data of interest. However, in the case ofextreme spatial data, except max-stables models, little or almost no models are interestedin non-parametric estimation of the tail index and/or extreme quantiles. Therefore, weextend existing works on estimating the tail index and quantile under independent ortime-dependent data. The specificity of the methods studied resides in the fact that theasymptotic results of the proposed estimators take into account the spatial dependence structure of the relevant data, which is far from trivial. This thesis is then written in thecontext of spatial statistics of extremes. She makes three main contributions.• In the first contribution of this thesis, we propose a new approach of the estimatorof the tail index of a heavy-tailed distribution within the framework of spatial data. This approach relies on the estimator of Hill (1975). The asymptotic properties of the estimator introduced are established when the spatial process is adequately approximated by aspatial M−dependent process, spatial linear causal process or when the process satisfies a strong mixing condition.• In practice, it is often useful to link the variable of interest Y with covariate X. Inthis situation, the tail index depends on the observed value x of the covariate X and theunknown fonction (.) will be called conditional tail index. In most applications, the tailindexof an extreme value is not the main attraction, but it is used to estimate for instance extreme quantiles. The contribution of this chapter is to adapt the estimator of the tail index introduced in the first part in the conditional framework and use it to propose an estimator of conditional extreme quantiles. We examine the models called "fixed design"which corresponds to the situation where the explanatory variable is deterministic. To tackle the covariate, since it is deterministic, we use the window moving approach. Westudy the asymptotic behavior of the estimators proposed and some numerical resultsusing simulated data with the software "R".• In the third part of this thesis, we extend the work of the second part of the framemodels called "random design" for which the data are spatial observations of a pair (Y,X) of real random variables . In this last model, we propose an estimator of heavy tail-indexusing the kernel method to tackle the covariate. We use an estimator of the conditional tail index belonging to the family of the estimators introduced by Goegebeur et al. (2014b)

Les événements extrêmes sont des phénomènes, souvent considérés catastrophiques, qui se produisent dans la queue d'une distribution généralement en s'écartant d'une décroissance attendue exponentielle. En optique, ces événements ont été étudié dans le contexte des fibres, où ils ont été amplement analysés, comme des vagues scélérates, par analogie bien connue entre l'optique et l'hydrodynamique à travers l'équation de Schroedinger non linéaire. Avec le développement et l'élargissement du domaine, l'étude des événements extrêmes a été étendue à des systèmes dissipatifs avec ou sans degrés spatiaux de liberté.Dans cette thèse on se concentre sur l'étude des événements extrêmes dans trois différents types de systèmes optiques actifs et dissipatifs, présentant chacun un ou deux degrés spatiales de liberté, soit dans le plan transversal (perpendiculaire à la direction de propagation de la lumière) soit dans la direction de propagation. Des structures localisées de nature différente constituent une solution possible importante dans chacun des systèmes étudiés ; leurs interactions autant que leurs rôles dans la formation des événements extrêmes ont donc été analysés en détails. Dans le premier système, un laser à semiconducteur monolithique (VCSEL) à large surface avec un absorbant saturable, on présente la formation d'événements extrêmes dans le plan transversal à deux dimensions de l'intensité du champ électrique. En particulier, on met en évidence la liaison entre ces objets et les solitons de cavité, soit stationnaires soit oscillatoires, aussi présents dans le système. Dans le deuxième système, un laser multimodal spatialement étendu dans la direction de propagation avec injection optique, on analyse l'interaction et la fusion des solitons de phase, des structures localisées qui se propagent dans la cavité en transportant une rotation de phase de 2π. Les événements extrêmes ont été étudié dans deux configurations : une première où ils émergent de la collision des solitons de phase avec des autres structures transitoires transportant une charge chirale négative, et une deuxième où des événements d'intensité élevée émergent d'un régime instable de motif en rouleau où les solitons de cavité ne sont pas des solutions stables. Dans les deux systèmes, on examine le rôle de la chiralité dans la formation des événements extrêmes. Dans le troisième système, un laser à semi-conducteur avec injection optique, on étudie dans les détails l'interaction des solitons de cavité dans le plan transversal, décrits comme deux particules soumises à un potentiel d'interaction décroissant exponentiellement avec la distance entre les deux objets : une analogie possible avec les matériaux hydrophobes a été proposée. Des résultats préliminaires présentant des événements extrêmes spatiotemporels dans ce système sont aussi donnés
Extreme events are phenomena, often considered as catastrophic, that occur in the tail of a distribution usually deviating from an expected, exponential decay. In optics, these events were first studied in the context of fibers, where they have been extensively analyzed, as optical rogue waves, in light of the well known analogy between optics and hydrodynamics, through the nonlinear Schroedinger equation. With the development and the broadening of the field, extreme events have been also studied in dissipative optical systems with or without spatial degrees of freedom. In this Thesis we focused on the study of extreme events in three different active and dissipative optical systems, each presenting one or two spatial degrees of freedom, either in the transverse plane, perpendicular to the direction of propagation of light, or in the propagation direction. Localized structures of different nature represent an important possible solution in each one of the systems here studied, hence their interaction and the role played in the formation of extreme events have been also investigated into details. In the first system, a monolithic broad-area semiconductor laser (VCSEL) with an intracavity saturable absorber, we report on the occurrence of extreme events in the 2D transverse plane of the electric field intensity. In particular we highlight the connection between these objects and cavity solitons, both stationary and oscillatory, also present in the system. In the second system, a highly multimode laser with optical injection spatially extended along the propagation direction, we analyze the interaction and merging of phase solitons, localized structures propagating along the cavity carrying a 2π phase rotation. Extreme events have been investigated in two configurations: a first one where they emerge from the collision of phase solitons with other transient structures carrying a negative chiral charge, and a second one where high-peak events emerge from an unstable roll regime where phase solitons are not a stable solution. In both these systems we investigate the role of chirality in the extreme event formation. In the third system, a broad-area semiconductor laser (VCSEL) with optical injection, we study into details the interaction of cavity solitons in the transverse plane, described as two particles subjected to an interaction potential exponentially decreasing with the distance between the two objects: a possible analogy with hydrophobic materials is here suggested. Some preliminary results showing spatiotemporal extreme events in this system are also given

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

Dans ce travail de thèse nous avons tenté d'approfondir notre connaissance sur la nature statistique et physique des températures et précipitations extrêmes et sur leur réponse au réchauffement climatique lié à une augmentation de l'effet de serre. La théorie des valeurs extrêmes est appliquée afin d’évaluer les propriétés statistiques des extrêmes climatiques. Le concept des régimes de temps est utilisé pour établir la relation entre la circulation atmosphérique à grande échelle et le climat régional en Europe. L’étude du climat actuel est basée sur les données des stations météorologiques. L'évolution future du climat a été examinée en utilisant le modèle de circulation générale avec le zoom sur le Méditerranée, LMDZ. Il était montré que les changements futurs des extrêmes liés à l'effet de serre, sont cohérents avec les changements qui ont accompagné l'évolution du climat au 20ème siècle. En outre, le réchauffement initial observé pour la période 2030-2059 n'induit pas de changements conséquents abrupts, au moins jusqu'à la fin du 21ème siècle. Cependant le réchauffement futur se manifeste différemment en fonction des régimes de circulation.

Les instruments IASI, lancés en 2006, 2012 et 2018, observent des spectres de luminances du système Terre-atmosphère, à partir desquels il est possible de dériver les températures atmosphériques. L'organisation EUropéenne pour l'exploitation des SATellites MÉTéorologiques (EUMETSAT) calcule les températures de la surface et de l'atmosphère à partir des observations IASI depuis 2007. Afin d'améliorer la qualité des températures calculées, EUMETSAT a effectué plusieurs mises à jour de l'algorithme de traitement. Ce travail de thèse montre que ces mises à jour ont rendu la série de températures inhomogène et inadaptée à l'étude des variations de température sur le long terme. Une nouvelle série de températures atmosphériques a alors été calculée à partir des spectres IASI à l'aide d'un réseau de neurones artificiel. Les températures issues de ce réseau de neurones ont ensuite été validées avec les températures ERA5 et des températures observées par radiosondage. La validation montre une bonne concordance entre les trois jeux de données de 750 à 7 hPa. Cette nouvelle série homogène de températures atmosphériques a ensuite été utilisée pour observer les événements extrêmes qui ont eu lieu depuis 2007, en particulier les réchauffements stratosphériques soudains (SSW). Plusieurs SSW ont eu lieu depuis 2007, et il est possible d'observer les variations de températures et d'ozone lors de ces événements grâce aux observations IASI. Les températures permettent également d'observer les vagues de froid et les vagues de chaleur qui ont eu lieu ces dernières années. Finalement, les températures ont été utilisées pour calculer les tendances sur la période 2008-2020. On observe un réchauffement de la troposphère, en particulier dans la haute troposphère équatoriale et en Arctique, et dans la stratosphère au sud de 50°S grâce au lent rétablissement de la couche d’ozone. Dans le reste de la stratosphère, les températures diminuent. Les méthodes développées pendant cette thèse ont permis de créer une série de température homogène et indépendante, et elles pourront être appliquées à la suite de la mission IASI, ainsi qu'à la mission IASI-New Generation qui débutera en 2024
The IASI instruments, launched in 2006, 2012 and 2018, observe radiance spectra from the Earth-atmosphere system, allowing us to retrieve atmospheric temperatures. The EUropean organisation for the exploitation of METeorological SATellites (EUMETSAT) computes surface and atmospheric temperatures from IASI observations since 2007. To improve the quality of the retrieved temperatures, EUMETSAT has performed several updates on the temperature processing algorithm. In this work, we show how the EUMETSAT temperature record is inhomogeneous and therefore not adapted to the study of temperatures on the long term. Therefore, a new atmospheric temperature product was computed from IASI spectra with an artificial neural network, using IASI radiances as input and ERA5 reanalysis temperatures as output. The temperatures retrieved with the neural network were validated against ERA5 temperatures and radiosounding temperatures. The validation showed good agreement between the three datasets from 750 to 7 hPa. At 2 hPa, the quality of the temperature products decreases because of the low amount of information on temperature within the IASI spectra at this altitude. This new homogeneous temperature record was then used to study extreme events, in particular Sudden Stratospheric Warmings (SSW). This work studies several SSWs that have happened since 2007, and shows that IASI is perfectly suited to study both temperature and ozone changes during these events. The temperatures were also used to observe the cold and heat waves that happened in the past few years. Finally, the temperatures were used to compute trends over the 2008-2020 period. The troposphere is warming, especially in the upper equatorial troposphere and in the Arctic. The stratosphere north of 50°S is also warming due to the slow ozone hole recovery. In the rest of the stratosphere, the temperatures are decreasing. This thesis presents an homogenous and independent temperature data record from IASI. The methods developed can and will be applied to the rest of the IASI mission and to its successor, the IASI-New Generation mission, which will launch in 2024

Cette thèse présente de nouveaux modèles et de nouveaux résultats en théorie de la ruine, lorsque les distributions des montants de sinistres sont à queue épaisse. Les hypothèses classiques d'indépendance et de stationnarité, ainsi que l'analyse univariée sont parfois jugées trop restrictives pour décrire l'évolution complexe des réserves d'une compagnie d'assurance. Dans un contexte de dépendance entre les montants de sinistres, des équivalents de la probabilité deruine univariée en temps fini sont obtenus. Cette dépendance, ainsi que les autres paramètres du modèle sont modulés par un processus Markovien d'environnement pour prendre en compte des possibles crises de corrélation. Nous introduisons ensuite des modèles de dépendance entre les montants de sinistres et les temps inter-sinistres pour des risques de type tremblements de terre et inondations. Dans un cadre multivarié, nous présentons divers critères de risques tels que la probabilité de ruine multivariée ou l'espérance de l'intégrale temporelle de la partie négative du processus de risque. Nous résolvons des problèmes d'allocation optimale pour ces différentes mesures de risque. Nous étudions alors l'impact de la dangerosité des risques et de la dépendance entre les branches sur cette allocation optimale

Alors que les évaluations des dommages du changement climatique utilisent en général des modèles de croissance qui négligent les déséquilibres économiques, supposés transitoires, cette thèse met en lumière, à partir d'une série d'exercices de modélisation, l'importance des déséquilibres et de la variabilité endogène de l'économie dans l'évaluation des dommages des événements extrêmes et du changement climatique. Elle affirme de plus l'impossibilité de séparer l'évaluation des dommages et la représentation de la croissance et de la dynamique économique : les pertes en bien-être dépendront tout autant de la nature et de l'intensité des impacts que de la dynamique de l'économie sur laquelle ils s'appliqueront. Ainsi, les incertitudes sur les dommages futurs du changement climatique proviennent à la fois d'incertitudes scientifiques et de l'incertitude sur l'organisation future de nos économies
So far, climate change damage assessments are based on long term growth models, which neglect disequilibrium processes, that are assumed to be transient over short period. This thesis highlights, from a set of modelling exercises, how important the short-term transients and the endogenous economic variability are in the estimation of extreme events and climate change damages. It thus suggests the impossibility to evaluate the damages independently of a precise representation of economic growth and dynamics : damages are as sensitive to the nature and amount of impacts than to the dynamics of the economy they are applied on. Thus, uncertainty on future damages comes both from our incomplete scientific knowledge and from the uncertainty on the future organisation of our economies

Une étude de la variabilité climatique des événements méditerranéens de précipitations intenses dans le Sud-Est de la France (HPE : High Precipitation Events) est proposée au travers de l'analyse des performances du modèle de climat à aire limitée ALADIN-Climat. La sensibilité des pluies extrêmes simulées à différents paramètres de configuration du modèle est évaluée dans un cadre d'étude idéalisé ou à travers des expériences pilotées par la ré-analyse ERA-40. Les tests de sensibilité portent sur le couplage dynamique de l'atmosphère avec le modèle de mer Méditerranée NEMO-MED8, l'application d'une technique de pilotage spectral, la taille du domaine d'intégration et la résolution horizontale (passage de 50 à 12. 5 km). Seule l'augmentation de la résolution conduit à une modification des précipitations extrêmes. Une étude détaillée de la valeur ajoutée ainsi apportée est alors conduite. Les résultats obtenus avec ALADIN-Climat sont ensuite comparés à ceux issus de deux méthodes de descente d'échelle statistique : la méthode de désagrégation DSCLIM (Boé et al. , 2006) et la méthode de détection développée par Nuissier et al. (2011). Il s'avère que les performances d'ALADIN-Climat à 12. 5 km sont plus satisfaisantes que celles de la première méthode et au moins équivalentes à celles de la seconde, d'où l'on conclut que ce modèle constitue donc un outil adéquat à l'étude de la variabilité climatique des HPE. Un scénario de changement climatique A1B est alors réalisé avec ALADIN-Climat pour la fin du XXe siècle, et différentes méthodes sont proposées pour l'analyse des résultats. Elles suggèrent un accroissement de la fréquence d'occurrence et une intensification des HPE
The climatic variability of intense rainfall events in the Mediterranean is studied using the limited area climate model ALADIN-Climate, whose ability to simulate these events in South-East France is explored. Several sensitivity studies are conducted to assess the impact of various configuration parameters on the model's skill to downscale such extreme events : coupling with a Mediterranean sea model, use of the spectral nudging technique, size of the domain of integration and horizontal resolution. These studies are either performed within the so-called Big-Brother Experiment framework or through hindcast simulations driven by the ERA-40 reanalysis. The increase of resolution (from 50 to 12. 5 km) is found to be the only parameter affecting the modeling of extreme precipitation. The added value of the higher resolution on the way ALADIN-Climate simulates High Precipitation Events (HPE) in South-East France is carefully studied. Comparisons of ALADIN-Climate's skills to those of two State-of-the-art statistical methods of downscaling and detection of these events -- DSCLIM (Boé et al. , 2006) and "CYPRIM" (Nuissier et al. , 2011) -- show that with a resolution of 12. 5 km, the model offers better results than the first method and appears to be at least as good as the second one, therefore it constitutes an appropriate numerical tool to explore the climatic variability of the HPE. A climate change scenario (A1B) is then performed with this tool for the end of the XXe century and we assess the simulated changes affecting HPE in future climate. Several methods are proposed to analyse and display the results, suggesting an increase of both the frequency and intensity of the HPE

Le sud de la France est soumis à des crues éclair engendrées par de fortes précipitations automnales. L'évolution de ces événements avec le changement climatique est un enjeu clef pour cette région à forte dynamique démographique. L'étude de ces évolutions est freinée par la différence d'échelle entre les modélisations hydrologique et climatique. L'objectif de cette thèse est de proposer une méthodologie capable de réaliser ce changement d'échelles et adaptée aux crues éclair des petits bassins versants au sud de la France. Le bassin versant du Lez est le bassin d'étude. Un modèle climatique régional à haute résolution fournit les précipitations futures sur le bassin d'étude. Les premiers résultats sur la période future suggèrent que l'intensité des crues éclair du bassin versant du Lez est susceptible d'augmenter. Cependant, ces résultats dépendent fortement du choix du modèle climatique et de l'état hydrique du bassin dont les évolutions sont méconnues
The Mediterranean region of southern France experiences extreme autumn rainfall, sometimes leading to violent flash floods. The evolution of these floods under the influence of climate change is a key question for the Mediterranean region, where a rapidly growing population puts human lives at stake. The difference in scale between the resolution of climate model outputs and hydrological impacts is a challenge for the study of flash floods in a future climate. The goal of this doctoral thesis is to propose a methodology adapted to the study of climate change impacts on flash floods in the small Mediterranean catchments of southern France. The Lez catchment near Montpellier was selected for a case study. Early results suggest that the intensity of flash floods may increase in the Lez catchment in a future climate. However these results are heavily dependent on the choice of the climate model used to simulate changes in precipitation and the evolution of future soil conditions, which were not taken into account in this study

Les effets du changement climatique sur les événements extrêmes sont difficiles à estimer car ces phénomènes présentent une large variabilité, et par conséquent il est délicat d'identifier des tendances significatives compte tenu de l'absence de longues séries de données instrumentales. Dans cette étude, nous présentons un enregistrement de ces tempêtes extrêmes sur la côte Méditerranéenne française au cours des 7000 dernières années à partir de carottes sédimentaires prélevées dans un système lagunaire du Golfe du Lion. L'utilisation d'une approche multi-traceur à haute résolution avec des analyses granulométriques, faunistiques, géochimiques (XRF), en minéraux argileux associées à des données chronologiques de radiocarbone et de 210Pb, 137Cs ; nous a permis de reconstruire l'histoire, au cours de l'Holocène, des dépôts lagunaires en relation avec l'activité des tempêtes. Bien que les paramètres morphologiques de cet environnement lagunaire aient changé durant l'Holocène, ne permettant pas de comparer ces événements au cours du temps en terme d'intensité, nous enregistrons six périodes d'augmentation de l'activité des tempêtes datées à 6200, 5500, 4400, 3200, 1500 an cal B. P. Et durant le Petit Age Glaciaire (de 450 à 100 an cal B. P. ). Ces changements de l'activité hydrodynamique côtière, en antiphase avec les périodes d'aridifications en Méditerranée de l'Ouest, sont corrélées avec celles observées dans le bassin Nord Atlantique et correspondent aux événements de refroidissement Holocène. L'augmentation de l'activité des tempêtes dans la cette région de la Méditerranée durant les périodes froides, associée à une diminution des températures au pôle Nord, est probablement liée à l'augmentation du gradient thermique qui, par interaction barocline, favorise les cycles d'évolution des tempêtes dans toute l'Europe et la Méditerranée de l'Ouest. Cette étude démontre ainsi que la température dans la région Nord Atlantique influence l'activité des tempêtes extrêmes et donc du climat Méditerranéen à l'échelle de l'Holocène
The effects of climate change on extreme events are difficult to assess because extremes present large variability and consequently, it is difficult to identify significant trends in relation to the lack of instrumental long time series. Here we present a record of these extreme storm events in the French Mediterrannean coast over the past 7000 years based on a long sediment core from lagoonal environment in Gulf of Lions. Using a high resolution multiproxies approach on core associating grain size, faunal to reconstruct Mid to Late Holocene history of backbarrier deposits in relation to landfalling activity. Even if change in lagoon geomorphological setting over the Holocene does not allow to compare storm events in terms of intensity trough time, we have recorded six periods of increase in storm activity at 6200, 5500, 4400, 3200, 1500 yr cal B. P. And over the LIA (450 and 100 yr cal B. P. ). These evidences of changes in coastal hydrodynamic, inversely correlated to periods of aridification in Western Mediterranean region, are in phase with those observed over the North Atlantic and correspond to Holocene cooling events. This increase in storm activity during Holocene cold events over Mediterranean region was probably due to thermal gradient increase leading to enhanced lower tropospheric baroclinicity over a large Central Atlantic-European domain. This study demonstrates that temperatures in North Atlantic region influence the severe storm activity and therefore the Mediterranean climate at Holocene timescale

Les enjeux en modélisation du climat sont énormes du fait de la forte demande sociétale, en particulier sur la quantification des incertitudes des projections climatiques régionales et leurs conséquences sur l'évaluation de la vulnérabilité de nos sociétés dans un contexte de réchauffement climatique. Du point de vue climatique, la région méditerranéenne constitue une zone de transition entre les climats semi-arides au sud et les climats tempérés au nord, sous l'influence des circulations synoptiques des latitudes moyennes et de la variabilité climatique tropicale. A petite échelle, l'orographie complexe de la région méditerranéenne est un acteur majeur de la perturbation de l'écoulement synoptique, à l'origine de la formation de structures de méso-échelle pouvant évoluer en systèmes météorologiques extrêmes à fort impact tels que tempêtes, précipitations intenses et crues. La contribution des processus de très fines échelles et leurs interactions non-linéaires avec les processus de la grande échelle rendent donc délicate la modélisation du climat et de l'environnement régional à fine échelle. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est de mieux appréhender la nature et les effets des interactions d'échelles sur notre compréhension du climat régional méditerranéen et sur sa modélisation à fine échelle par approches dynamiques, statistiques et stochastiques.

Quatre événements El Niño extrêmes ont eu lieu durant les cinq dernières décennies (1972/1973, 1982/1983, 1997/1998 et 2015/2016) et étaient caractérises comme forts dans la région Niño 3.4. Ils présentent des différences significatives dans leur évolution qui induisent des anomalies distinctes de précipitations le long du versant Pacifique Péruvien illustrant la non-linéarité de la téléconnexion ENSO sur les précipitations dans cette région. Les pluies extrêmes ont un impact néfaste sur la population et les secteurs productifs en raison des inondations et des glissements de terrain qui s'ensuivent. Néanmoins, à ce jour, les patrons de circulation climatique clé de leurs évolutions et magnitudes différentes sont encore très peu connus. Dans cette thèse, nous montrons que les différentes configurations de précipitations lors de ces événements sont associées au transport de l'humidité provenant de différentes sources d'humidité à grande échelle. Lors des événements 1983-1998 (2016), ils sont respectivement liés à une forte (faible à modérée) humidité provenant du réchauffement du Pacifique (également mais aussi provenant de L'Atlantique via l'Amazonie). La caractéristique de ces transports d'humidité est due à une réponse atmosphérique opposée entre les événements de 1983-1998 (qui sont similaires) et l'événement de 2016 qui présente des patterns de transport d'humidité déphasés. Ces précipitations sont liées à l'humidité provenant de ces sources et la circulation atmosphérique régionale des vents de niveau supérieur (100 à 300 hPa) influe sur la quantité d'humidité qui pénètre dans la région Nord-Centre du versant Pacifique Péruvien. L'interaction de la circulation à grande échelle et régionale et le transport de l'humidité du Pacifique est expliqué par le mode Ep qui est associé à des précipitations dans la région Centre-Nord. La forte dispersion des précipitations dans les régions montagneuses est expliquée par le mode Cp pendant les phénomènes El Niño modérés (extrêmes) et est liée au transport d'humidité de niveau moyen-bas (haut) de l'Amazonie (Pacifique) atteignant les hautes terres
Four strong El Niño events took place within the last five decades (1972/1973, 1982/1983, 1997/1998 and 2015/2016) recorded as strong in the Niño 3.4 region. They can exhibit significant differences in their evolution associated with a distinct rainfall anomaly evolution along the PPB (Peruvian Pacific Basin), which illustrates the strong nonlinearity of the ENSO teleconnection on the rainfall in this area. These extreme rainfalls have harmful impacts on the population and productive sectors due to floods and landslides which are trigged by them. Yet the key climatic circulation pattern for their different evolution and magnitude are still unknown. Here we show that different rainfall patterns during these events are associated with moisture transport originated from different large-scale moisture sources. For example, in the 1983 -1998 (2016) events appear as related with strong (weak to moderate) moisture coming from the Pacific warming (also coming from Atlantic Ocean through the Amazon basin). Characteristic of these moisture transports is due to an atmospheric response opposite between the 1983-1998 events (that are similar) and 2016 event experiencing out-of-phase moisture transport patterns. Although these rainfalls are linked to the moisture arrival from those sources, the moisture amount entering the PPB can be also influenced by regional atmospheric circulation of upper level winds (100 to 300 hPa) leading to different enhanced moisture transport associated with different rainfall anomalies in the North-Centre PPB. The interplay of large-scale and regional circulation and Pacific moisture transport explains the Ep mode associated with rainfall in the north-Centre PPB. The high dispersion of rainfall in highlands (Cp mode) during the moderate (extremes) El Niño appears as linked to low-middle (high level) moisture transport from the Amazon (Pacific) reaching highlands

Dans un contexte de changement climatique et de forte croissance démographique sur les littoraux, les tempêtes et événements de submersion ont un potentiel destructeur de plus en plus important. Ce travail de thèse a cherché à explorer les liens entre les conditions océaniques lors de tempêtes et la présence ou absence de dégâts littoraux. Le Pays Basque français a été choisi comme site d'étude et l'analyse a concerné la période 1949-2015. Une première contribution de ce travail a été d'identifier les variables d'aléa les plus susceptibles de caractériser l'intensité d'un événement de submersion. Un recensement complet des sources de données existantes ainsi qu'un travail de réanalyse nous ont permis d'obtenir des séries temporelles de variables d'aléa fiables, complètes et couvrant la période 1949-2015.Dans un deuxième temps, une recherche historique documentaire a été effectuée pour répertorier les événements de submersion ayant occasionné des dégâts sur la côte Basque. Ce travail d'investigation s'est principalement focalisé sur deux lieux~: la Grande Plage de Biarritz et la digue de l'Artha à Saint-Jean-de-Luz. Il a donné lieu à l'établissement d'un catalogue de 30 tempêtes qui sont décrites par des indices de dégâts et de submersion.Le dernier axe de travail a été de lier les séries temporelles de variables d'aléa avec les données historiques concernant les dégâts. Cela a permis de créer une fonction de dommages utilisant les valeurs des variables d'aléa pour prédire la présence ou l'absence de dégâts liés à la submersion. Cette fonction de dommages a ensuite, entre autres, permis de montrer le caractère exceptionnel des événements de l'hiver 2013-2014 sur la période 1949-2015 en calculant notamment des périodes de retour
Because of global warming and demographic growth, storms and flooding events affecting coastlines tend to have more severe consequences than before. The aim of this work was to investigate whether oceanic conditions during storms could be used to predict the occurrence of damages on the coasts. The study was restricted to the French Basque country during 1949-2015 time period.The first contribution of thiswork was to identify the most relevant oceanic variables to characterize the intensity of a storm event. An inventory of the available data sources and a reanalysis work allowed us to build complete and reliable wave and water level time series for the 1949-2015 period. In a second phase, an historical research was carried out in order to identify all storm and flooding events which caused damages to the French Basque coast during the 1949-2015 period. The research focused on two locations : the "Grande Plage" of Biarritz and the Saint-Jean-de-Luz Artha dike. This led to a list of 30 events additionally described by a damage index and a flooding index.The final objective was to link wave and water level time series with historical damage data and resulted in the creation of a damage function predicting if a flooding event will cause damages or not. This damage function allowed us to emphasize the exceptional character of the 2013-2014 winter, among other things, by computing return periods

La hausse des températures et les modifications du régime des précipitations affectent les écosystèmes particulièrement fragiles des régions arctiques et subarctiques et ont des conséquences socio-économiques pour les populations locales. La perception et l'évaluation des opportunités et des risques qui y sont associés, dépendent des moyens de subsistance, des normes, des valeurs et des représentations du monde des individus qui y sont confrontés.La perception du climat est culturellement et socialement construite. Cette perception varie dans le temps et dans l'espace et, parfois même, diffère parmi différents groupes sociaux en fonction des valeurs et des modes de représentation du monde. Pour toutes ces raisons, nous avons non seulement étudié certains phénomènes météorologiques mais aussi intégré le cadre culturel, politique et historique dans lesquels ils s'inscrivent. Nous avons analysé l'environnement et le climat – et par extension, les événements météorologiques à forts impacts – comme des objets socio-culturels afin de mieux comprendre à la fois leurs impacts mais aussi leurs perceptions par les habitants. Ce travail se situe à la croisée de ces chemins, en confrontant l'observation, et donc les changements, et la perception qu'en ont différents acteurs, en considérant deux régions distinctes, les mers nordiques et la République de Touva.Dans une première partie, nous avons analysés l'impact des Polar Lows, d'intenses cyclones de méso-échelle qui se développent sur les mers libres de glace de l'Arctique pendant l'hiver, sur les régions côtières du nord de la Norvège. Ces systèmes sont associés à des vents de surface forts avec bien souvent des rafales qui peuvent être très violentes (Heinemann et Claud, 1997). Les conditions en mer lors du passage d'un PL peuvent s'avérer dangereuses avec des fortes vagues, des précipitations neigeuses brutales et du blizzard. Ces événements météorologiques extrêmes représentent un véritable risque pour les activités maritimes et côtières de la région, notamment pour le transport maritime, la pêche et les plateformes pétrolières et gazières offshore. En effet, les nouvelles zones libres de glace offrent de multiples opportunités économiques dans ces régions, en particulier en mer de Barents. Or dans le même temps, le recul de la banquise élargit mécaniquement les régions de formation des PLs.Dans une seconde partie, nous avons regardé les impacts du changement climatique et des événements météorologiques sévères en République de Touva. La République de Touva se localise entre 49°5 et 53°5 N en latitude, 88°5 et le 99°E en longitude, c'est par conséquent une région subarctique très méridionale. Le climat y est extrêmement continental et les précipitations ont tendance à être faibles en raison de la faible teneur en humidité dans l'air froid. La plupart du territoire est caractérisé par une végétation forestière de taïga ou de steppe semi-aride. Au cours du XXème siècle, la région a connu des changements socio-économiques majeurs, parfois brutaux, avec notamment le passage d'une société communiste à l'économie planifiée à une économie de marché au début des années 1990. Malgré ces récents bouleversements, les pasteurs nomades (chevaux, vaches, yaks, moutons, chameaux) en Touva occidentale et les chasseurs-cueilleurs éleveurs de rennes en Touva orientale, vivent toujours en étroite relation avec l’environnement naturel. Les populations autochtones de Touva, confrontées à un changement rapide de la société et à des changements globaux causés par certaines politiques régionales et nationales contemporaines, avec notamment l’expansion de l'industrie minière et par le développement de mégaprojets (complexe hydroéléctrique, construction d'une voie chemin de fer), offrent des points de vue variés, en fonction de leurs modes de vie, sur les changements environnementaux qu'ils observent et leurs impacts sur leurs activités quotidiennes
The perception of the climate is culturally and socially constructed. For this reason, we have studied some weather events integrating the cultural, political and historical contexts in which they occur.In a first part, we analyzed the impact of Polar Lows, intense mesocyclones that develop over ice-free Arctic seas during winter time, on coastal regions of Norway. The passage of PL can provoke dangerous sea conditions with strong waves, sudden snowfall and blizzard. This phenomenon may represent a risk to maritime and coastal activities in the region, particularly for shipping, fishing and oil and gas offshore platforms.In a second part we studied the impacts of climate change and severe weather events in the Republic of Tuva. Tuva is a very southern subarctic region. Its climate is extremely continental and precipitation tend to be low due to the low moisture content in the cold air. During the twentieth century, the region has experienced major socio-economic changes, sometimes brutal, including the transition from a communist and planned economy to a market economy in the early 1990. Despite these recent changes, pastoralists in western Tuva (horses, cows, yaks, sheep, camels) and reindeer herders in eastern Tuva, still live in close contact with the natural environment. Indigenous peoples of Tuva are facing global changes caused by certain contemporary regional and national policies, including the expansion of the mining industry and the development of mega projects. They offer different points of view, describing environmental changes and their impact on their daily activities

Le climat est un système complexe qui est le résultat de multiples interactions entre ses différentes composantes et ses multiples variables. Cette thèse a pour but d'évaluer si et comment l'utilisation d'approches statistiques multivariées pour l'étude des simulations climatiques peut contribuer à une compréhension plus approfondie du changement climatique et des événements climatiques à forts impacts sur la société. Pour répondre à ces questions, je propose et applique de nouveaux outils statistiques multivariés pour, d'une part, la correction de biais des simulations climatiques, et d'autre part, l'étude des changements de probabilités d'événements conjoints à forts impacts. Le travail s'articule autour de trois objectifs : (i) comparer des méthodes de correction de biais multivariés (MBC) déjà existantes, (ii) développer une nouvelle méthode MBC pour l'ajustement des dépendances spatiales des simulations climatiques, (iii) évaluer la période d'émergence des probabilités d'événements conjoints et quantifier la contribution des propriétés univariées et multivariées aux changements de ces probabilités.La comparaison de méthodes de correction de biais a permis d'une part d'informer les utilisateurs de leurs avantages et leurs inconvénients mais aussi d'identifier des pistes de développements pour de nouvelles méthodes. Une nouvelle méthode, basée sur une technique de Machine Learning appelée réseaux adverses génératifs (CycleGAN), a été développée. Elle donne des résultats satisfaisants, montrant ainsi le potentiel des techniques de Machine Learning pour la correction de biais multivariés. L'évaluation de la période d'émergence des probabilités d'événements conjoints, ainsi que la quantification de la contribution des propriétés univariées et multivariées aux changements de ces probabilités se révèlent être une procédure pertinente pour améliorer la compréhension de tels phénomènes climatiques. Il est trouvé que la non-stationnarité de la structure de dépendance inter-variable dans un contexte de changement climatique peut jouer un rôle important dans les probabilités futures d'événements conjoints.Les travaux réalisés dans cette thèse ouvrent des perspectives pertinentes en termes méthodologiques mais participent aussi à une amélioration de la compréhension du climat et de ses évolutions en fournissant des outils statistiques adaptés à la nature intrinsèquement multivariée du système climatique
Climate is a complex system resulting from various interactions between its different components and its multiple variables. This thesis aims to assess whether and how the use of multivariate statistical approaches for the study of climate simulations can contribute to a deeper understanding of climate change and high-impact climate events. To answer these questions, I propose and apply new multivariate statistical tools for, on the one hand, bias correction of climate simulations, and on the other hand, the investigation of changes in the probabilities of compound climate events. The work conducted pursues three main objectives: (i) to intercompare existing multivariate bias correction (MBC) methods, (ii) to develop a new MBC method for adjusting spatial dependencies of climate simulations, (iii) to assess the time of emergence of compound events probabilities, as well as to quantify the contribution of marginal and dependence properties to these changes of probabilities.The intercomparison of multivariate bias correction methods allowed, first, to better inform end-users of their advantages and disadvantages and, also, to identify avenues for the development of new methods. A new method, based on a Machine Learning technique named cycle-consistent generative adversarial networks (CycleGAN), has been developed. It gives satisfactory results, thus showing the potential of Machine Learning techniques for multivariate bias correction. Assessing the time of emergence of compound events probabilities and quantifying the contribution of univariate and multivariate properties to these changes has proved to be relevant to better investigate compound events. It is found that non-stationarity in inter-variable dependence structures under climate change can play a significant role in future probabilities of compound events.The work carried out in this thesis opens up relevant perspectives in terms of methodology but also contributes to an improved understanding of the climate and its evolution. It provides new statistical tools that are adapted to the intrinsically multivariate nature of the climate system

Les polar lows (PLs) sont d'intenses dépressions maritimes propres aux hautes latitudes. De faible extension spatiale et temporelle, ils n'en sont pas moins dangereux, s'accompagnant de vents violents et de fortes précipitations, provoquant une très faible visibilité et des vagues importantes. Le but de cette thèse est d'étudier l'impact de la variabilité atmosphérique sur leur formation, et notamment d'évaluer leur évolution dans le cadre du changement climatique. Dans un premier temps, l'environnement de grande échelle conduisant au développement de PLs est déterminé. Dans ce but, l'ensemble des observations homogènes de PLs disponibles et des réanalyses atmosphériques (ERA-I pour la période la plus récente, NCEP/NCAR sinon) sont utilisés. On montre que le géopotentiel à 500 hPa, l'écart de température entre la surface de l'océan et 500 hPa, le vent et la température en basses couches, ainsi que le tourbillon potentiel (PV) à 300 hPa présentent des anomalies significatives sur de grandes étendues, centrées sur les zones de formation des Pls. L'accent est mis sur les mers Nordiques pour lesquelles on dispose d'une climatologie de Pls large et homogène, bien que d'autres régions de l'hémisphère Nord soient aussi étudiées (mer du Labrador, golfe d'Alaska...). Les PLs se développent après une phase de mise en place progressive des conditions synoptiques favorable, leur déclenchement étant marqué par une intensification des anomalies de vent et de PV. Des différences existent entre les différentes régions de formation, notamment au niveau du flux de basse couche, indiquant une hétérogénéité dans l'influence relative des différents forçages. Une seconde partie est consacrée à étudier l'influence de la variabilité atmosphérique sur les PLs. Deux approches de cette variabilité sont alors considérées: les structures de téleconnection sur le Pacifique Nord et les régimes de temps sur l'Atlantique Nord et l'Europe. Les structures de téléconnection reposent sur l'idée que la variabilité atmosphérique peut être décrite par des variations dans l'intensité de structures particulières à grande échelle, persistantes et récurrentes. L'étude des liens entre ces structures et les variables clefs pour la formation de PLs permet de mettre en évidence pour chaque région du Pacifique Nord les influences respectives de chacune des structures sur les Pls. L'idée sous-tendant le concept de régimes de temps est que la variabilité atmosphérique pourrait être décrite comme une alternance entre différents états préférentiels quasi-stationnaires. Les quatre régimes déterminés sur l'Atlantique Nord et l'Europe ont une durée typique de 8-10 jours, similaire à l'existence d'un environnement typique associé au développement de PLs. Ils apparaissent particulièrement discriminants pour la formation de PLs: en mers de Norvège et de Barents, 75% des PLs observés se forment en Altantic Ridge ou dans la phase négative de l'Oscillation Nord Atlantique (NAO), alors qu'en mer du Labrador, une grande majorité des PLs observés se développent durant la phase positive de la NAO. La dernière partie est une étude exploratoire de l'évolution du comportement des PLs dans le cadre du changement climatique. Celui-ci est susceptible d'influer sur la répartition et les fréquences d'apparition des PLs en modifiant les conditions de grande échelle contrôlant leur genèse. L'étude porte d'abord sur le rôle de la glace de mer et de son évolution sur les PLs. Finalement, l'évolution de variables clefs dans le développement de PLs est étudié à partir de sorties de la simulation climatique ECHAM5/MPI-OM. Les résultats de cette étude suggèrent une diminution de l'activité des PLs, avec de fortes disparités régionales, ainsi que des changements dans la distribution saisonnière. Les résultats de cette thèse renforcent les connaissances sur les PLs et fournissent de nouveaux éléments pour améliorer leur prévision à court et plus long terme.

Nous étudions, dans cette thèse, le modèle de branchement avec duplication des trajectoires d'abord introduit pour l'étude des événements rares destiné à accélérer la simulation. Dans cette technique, les échantillons sont dupliqués en R copies à différents niveaux pendant la simulation. L'optimisation de l'algorithme à coût fixé suggère de prendre les probabilités de transition entre les niveaux égales à une constante et de dupliquer un nombre égal à l'inverse de cette constante, nombre qui peut être non entier. Nous étudions d'abord la sensibilité de l'erreur relative entre la probabilité d'intérêt P(A) et son estimateur en fonction de la stratégie adoptée pour avoir des nombres de retirage entiers. Ensuite, puisqu'en pratique les probabilités de transition sont généralement inconnues (et de même pour les nombres de retirages), nous proposons un algorithme en deux étapes pour contourner ce problème. Des applications numériques et comparaisons avec d'autres modèles sont proposés
This thesis deals with the splitting method first introduced in rare event analysis in order to speed-up simulation. In this technique, the sample paths are split into R multiple copies at various stages during the simulation. Given the cost, the optimization of the algorithm suggests to take the transition probabilities between stages equal to some constant and to resample the inverse of that constant subtrials, which may be non-integer and even unknown but estimated. First, we study the sensitivity of the relative error between the probability of interest P(A) and its estimator depending on the strategy that makes the resampling numbers integers. Then, since in practice the transition probabilities are generally unknown (and so the optimal resampling umbers), we propose a two-steps algorithm to face that problem. Several numerical applications and comparisons with other models are proposed

Ce travail de thèse porte sur l'étude du comportement morphodynamique d'une plage de poche, partiellement aménagée, lors des événements de tempête. La plage de Zarautz (Espagne) a été choisie comme site d'étude en raison de son climat de vagues et de sa configuration. La plage est limitée latéralement par des falaises rocheuses. Elle présente un système dunaire sur la partie est et une digue aménagée en promenade sur le reste de la plage. Le climat de houle au large de Zarautz (bouée de Bilbao) est caractérisé par une faible variabilité directionnelle. Dans 95 % des cas, les vagues proviennent de directions comprises entre l'Ouest (O) et le Nord (N). Les conditions de vague à l'approche de la plage de Zarautz sont quasi unidirectionnelles et peuvent présenter une variabilité longitudinale. La variabilité temporelle et spatiale des barres sableuses d'avant côte, a été étudiée à partir de l'analyse d'images vidéo enregistrées quotidiennement sur une période de deux années. Les résultats montrent que d'un point de vue hydrodynamique la plage se comporte la plupart du temps comme une plage ouverte. Toutefois, elle peut également présenter une circulation de type cellulaire au cours des événements de haute énergie. La morphologie de la plage présente une grande variabilité spatiale et temporelle. On remarque également des différences morphologiques notables entre la partie aménagée et la partie est de la plage. Pour étudier la réponse morphologique de la plage à des événements de haute énergie, des relevés topographiques ont été menés avant et après plusieurs tempêtes. Les courants d'arrachement, stables et persistants pendant des conditions énergétiques modérées à fortes peuvent éroder localement la zone intertidale de la plage. Dans des conditions de haute énergie et lors de marées de vives eaux le haut de plage et le cordon dunaire sont érodés. A l'inverse, lors de conditions de haute énergie qui coïncident avec des marées de mortes-eaux, l'évolution de l'estran, de l'arrière-plage et de la dune sont essentiellement contrôlées par les caractéristiques des vagues plutôt que par l'amplitude de la marée. Afin d'analyser et de compléter les résultats obtenus, une étude numérique a été réalisée à partir du code open source XBeach. En raison de l'absence de données de bathymétrie, le modèle d'assimilation de données Beachwizard a été utilisé afin d'estimer la bathymétrie à partir des images collectées par la station vidéo. La possibilité de forcer ce modèle avec des conditions de vagues variables le long de la limite du domaine de calcul a été mise en œuvre. Les résultats montrent que la prise en compte de conditions limites variables améliore la capacité du modèle à estimer la bathymétrie. Les tests de calibration du modèle XBeach révèlent que les résultats peuvent varier considérablement en fonction des paramètres choisis. Toutefois, les résultats du modèle XBeach semblent peu sensibles aux caractéristiques du spectre de vagues utilisé pour forcer le modèle. Une série de simulations ont été réalisées afin d'étudier le cluster de tempêtes de Février 2013 en analysant non seulement l'influence de la chronologie des différentes tempêtes mais aussi du niveau d'eau au cours de cette période. Ces simulations ont permis de mettre en évidence que les mouvements sédimentaires sont dominés par un transfert de sable de la dune vers la zone intertidale sans période de reconstruction de la dune. L'érosion des différentes sections de la plage est fortement corrélée au niveau d'eau. L'érosion de la dune et de l'arrière-plage ne se produit que lorsque les niveaux de marée élevés prévalent alors que la zone intertidale est érodée à marée basse. Il apparaît que l'impact des tempêtes sur la plage est beaucoup plus dépendant du niveau d'eau que de la chronologie des événements énergétiques au cours d'un cluster de tempêtes
The aim of this study is to understand the response of engineered pocket beaches to storms. To that end, a series of video images, field topographical measurements and depth-averaged (2DH) process-based model have been used. The beach of Zarautz was chosen as a study site due to its wave climate characteristics and beach configuration. It is an embayed beach composed by two well defined regions, a dune system and an engineered section. The offshore wave climate is characterised by a low directional variability. The 95 % of the cases ranges from W to N directions. The high energetic events are seasonally variable. Most of the storms take place during winter and autumn. The wave climate at the beach of Zarautz is almost unidirectional and it presents certain alongshore variability. The temporal and spatial variability of nearshore sandbars, using daily video observations over 2 years was carried out. In general the beach acts as an open beach like circulatory system but it may present cellular and transitional circulation during high energy events. The nearshore sandbars evolution covers a wide range of temporal and spatial variability. Interestingly, the western engineered and more sheltered section of the beach sometimes exhibits a different beach state to that of the eastern section. To study the response of the beach to high energy events, systemically designed topographic surveys were undertaken before and after storm events. The location of the rip currents seems to play a role on the beach erosion. Static and persistent rips during moderate high energy conditions may erode locally the beach intertidal zone. During high energetic conditions and spring tides the beach backshore and dune area is eroded. Dune and backshore sections become important as they act as a buffer, preventing the foreshore erosion. On other hand, during high energetic conditions coinciding with neap tides, the evolution of the foreshore, backshore and dunes might be sensitive to the wave characteristics rather than to the tidal range. The findings obtained from the video images and field measurements were completed by means of the XBeach process based model. Due to the lack of a pre-storm bathymetry the XBeach-Beach Wizard model was used in order to infer the surfzone features. The possibility to force the model with non-uniform alongshore wave conditions was implemented. Results show that this new implementation improves the model skills. The XBeach calibration tests reveal that the results can vary considerably depending on the set of parameters chosen to run the model. Parameters such as short wave run-up, γ, γua, eps and hmin seem to be relevant for the model calibration. A series of storm impact simulations were performed. A chain transport mechanism was found in which the sand is transported from the dunes to the intertidal zone, and never in the other way around. The erosion of the different sections of the beach is highly related to the tidal level rather that to the wave power. The main differences in the beach response between the natural and engineered sections are related to the sand budget. The complete loss of the backshore sand makes the intertidal zone weak to the storms (the chain transport is interrupted). This scenario is only likely to happen at the engineered sector due to the narrow backshore and the absence of a dune system. Some tests were performed in order to relate the 'storm magnitude' to a certain value of beach erosion. These findings point out that, in general, the higher the storm power is, the larger is the beach erosion. However, the wave characteristics that define a given storm play an important role. Furthermore, in some cases a low power storm with high Hs and Tp can produce larger changes on the beach than a large storm with low Hs and Tp

La physique statistique, développée à l'origine pour décrire les systèmes thermodynamiques, a joué pendant les dernières décennies un rôle central dans la modélisation d'un ensemble incroyablement vaste et hétérogène de différents phénomènes qui ont lieu par exemple dans des systèmes sociaux, économiques ou biologiques. Un champ d'applications possibles aussi vaste a été trouvé aussi pour les réseaux, comme une grande variété de systèmes peut être décrite en termes d'éléments interconnectés. Après une partie introductive sur les thèmes abordés ainsi que sur le rôle de la modélisation abstraite dans la science, dans ce manuscrit seront décrites les nouvelles perspectives auxquelles on peut arriver en approchant d'une façon physico-statistique trois problèmes d'intérêt dans la théorie des réseaux: comment une certaine quantité peut se répandre de façon optimale sur un graphique, comment explorer un réseau et comment le reconstruire à partir d'un jeu d'informations partielles. Quelques remarques finales sur l'importance que ces thèmes préserveront dans les années à venir conclut le travail
Statistical physics, originally developed to describe thermodynamic systems, has been playing for the last decades a central role in modelling an incredibly large and heterogeneous set of different phenomena taking for instance place on social, economical or biological systems. Such a vast field of possible applications has been found also for networks, as a huge variety of systems can be described in terms of interconnected elements. After an introductory part introducing these themes as well as the role of abstract modelling in science, in this dissertation it will be discussed how a statistical physics approach can lead to new insights as regards three problems of interest in network theory: how some quantity can be optimally spread on a graph, how to explore it and how to reconstruct it from partial information. Some final remarks on the importance such themes will likely preserve in the coming years conclude the work

En prévision numérique du temps, les modèles de prévision d'ensemble sont devenus un outil incontournable pour quantifier l'incertitude des prévisions et fournir des prévisions probabilistes. Malheureusement, ces modèles ne sont pas parfaits et une correction simultanée de leur biais et de leur dispersion est nécessaire.Cette thèse présente de nouvelles méthodes de post-traitement statistique des prévisions d'ensemble. Celles-ci ont pour particularité d'être basées sur les forêts aléatoires.Contrairement à la plupart des techniques usuelles, ces méthodes non-paramétriques permettent de prendre en compte la dynamique non-linéaire de l'atmosphère.Elles permettent aussi d'ajouter des covariables (autres variables météorologiques, variables temporelles, géographiques...) facilement et sélectionnent elles-mêmes les prédicteurs les plus utiles dans la régression. De plus, nous ne faisons aucune hypothèse sur la distribution de la variable à traiter. Cette nouvelle approche surpasse les méthodes existantes pour des variables telles que la température et la vitesse du vent.Pour des variables reconnues comme difficiles à calibrer, telles que les précipitations sexti-horaires, des versions hybrides de nos techniques ont été créées. Nous montrons que ces versions hybrides (ainsi que nos versions originales) sont meilleures que les méthodes existantes. Elles amènent notamment une véritable valeur ajoutée pour les pluies extrêmes.La dernière partie de cette thèse concerne l'évaluation des prévisions d'ensemble pour les événements extrêmes. Nous avons montré quelques propriétés concernant le Continuous Ranked Probability Score (CRPS) pour les valeurs extrêmes. Nous avons aussi défini une nouvelle mesure combinant le CRPS et la théorie des valeurs extrêmes, dont nous examinons la cohérence sur une simulation ainsi que dans un cadre opérationnel.Les résultats de ce travail sont destinés à être insérés au sein de la chaîne de prévision et de vérification à Météo-France
In numerical weather prediction, ensemble forecasts systems have become an essential tool to quantifyforecast uncertainty and to provide probabilistic forecasts. Unfortunately, these models are not perfect and a simultaneouscorrection of their bias and their dispersion is needed.This thesis presents new statistical post-processing methods for ensemble forecasting. These are based onrandom forests algorithms, which are non-parametric.Contrary to state of the art procedures, random forests can take into account non-linear features of atmospheric states. They easily allowthe addition of covariables (such as other weather variables, seasonal or geographic predictors) by a self-selection of the mostuseful predictors for the regression. Moreover, we do not make assumptions on the distribution of the variable of interest. This new approachoutperforms the existing methods for variables such as surface temperature and wind speed.For variables well-known to be tricky to calibrate, such as six-hours accumulated rainfall, hybrid versions of our techniqueshave been created. We show that these versions (and our original methods) are better than existing ones. Especially, they provideadded value for extreme precipitations.The last part of this thesis deals with the verification of ensemble forecasts for extreme events. We have shown several properties ofthe Continuous Ranked Probability Score (CRPS) for extreme values. We have also defined a new index combining the CRPS and the extremevalue theory, whose consistency is investigated on both simulations and real cases.The contributions of this work are intended to be inserted into the forecasting and verification chain at Météo-France

Initiée dans le cadre d’un projet ANR (le projet MODNAT) ciblé sur la modélisation stochastique de phénomènes naturels et la quantification probabiliste de leurs effets dynamiques sur des systèmes mécaniques et structuraux, cette thèse a pour objet le calcul de probabilités d’événements rares liés aux maxima en horizon fini de processus stochastiques, avec prise en compte des quatre contraintes imposées suivantes : (1) l’ensemble des processus considérés doit contenir les quatre grandes catégories de processus rencontrés en dynamique aléatoire, à savoir les gaussiens stationnaires, les gaussiens non stationnaires, les non gaussiens stationnaires et les non gaussiens non stationnaires ; (2) ces processus doivent pouvoir être, soit décrits par leurs lois, soit fonctions de processus décrits par leurs lois, soit solutions d’équations différentielles stochastiques, soit même solutions d’inclusions différentielles stochastiques ; (3) les événements en question sont des dépassements de seuils très élevés par les maxima en horizon fini des processus considérés et ces événements sont de très faible occurrence, donc de très faible probabilité (de l’ordre de 10 −4 à 10 −8 ), du fait de la valeur élevée des seuils ; et enfin (4) le recours à une approche Monte-Carlo pour effectuer ce type de calcul doit être banni, car trop chronophage compte tenu des contraintes précédentes. Pour résoudre un tel problème, dont le domaine d’intérêt s’étend bien au delà de la mécanique probabiliste et de la fiabilité structurale (on le rencontre notamment dans tous les secteurs scientifiques en connexion avec la statistique des valeurs extrêmes, comme par exemple les mathématiques financières ou les sciences économiques) une méthode innovante est proposée, dont l’idée maîtresse est née de l’analyse des résultats d’une étude statistique de grande ampleur menée dans le cadre du projet MODNAT. Cette étude, qui porte sur l’analyse du comportement des valeurs extrêmes des éléments d’un vaste ensemble de processus, a en effet mis en évidence deux fonctions germes dépendant explicitement de la probabilité cible (la première en dépendant directement, la seconde indirectement via une probabilité conditionnelle auxiliaire elle-même fonction de la probabilité cible) et possédant des propriétés de régularité remarquables et récurrentes pour tous les processus de la base de données, et c’est sur l’exploitation conjointe de ces propriétés et d’un principe d’approximation bas niveau-extrapolation haut niveau que s’appuie la construction de la méthode. Deux versions de celle-ci en sont d’abord proposées, se distinguant par le choix de la fonction germe et dans chacune desquelles cette fonction est approximée par un polynôme. Une troisième version est également développée, basée sur le formalisme de la deuxième version mais utilisant pour la fonction germe une approximation de type "fonction de survie de Pareto". Les nombreux résultats numériques présentés attestent de la remarquable efficacité des deux premières versions. Ils montrent également que celles-ci sont de précision comparable. La troisième version, légèrement moins performante que les deux premières, présente quant à elle l’intérêt d’établir un lien direct avec la théorie des valeurs extrêmes. Dans chacune de ses trois versions, la méthode proposée constitue à l’évidence un progrès par rapport aux méthodes actuelles dédiées à ce type de problème. De par sa structure, elle offre en outre l’avantage de rester opérationnelle en contexte industriel
Initiated within the framework of an ANR project (the MODNAT project) targeted on the stochastic modeling of natural hazards and the probabilistic quantification of their dynamic effects on mechanical and structural systems, this thesis aims at the calculation of probabilities of rare events related to the maxima of stochastic processes over a finite time interval, taking into account the following four constraints : (1) the set of considered processes must contain the four main categories of processes encountered in random dynamics, namely stationary Gaussian, non-stationary Gaussian, stationary non-Gaussian and non-stationary non-Gaussian ones ; (2) these processes can be either described by their distributions, or functions of processes described by their distributions, or solutions of stochastic differential equations, or solutions of stochastic differential inclusions ; (3) the events in question are crossings of high thresholds by the maxima of the considered processes over finite time intervals and these events are of very weak occurrence, hence of very small probability, due to the high size of thresholds ; and finally (4) the use of a Monte Carlo approach to perform this type of calculation must be proscribed because it is too time-consuming given the above constraints. To solve such a problem, whose field of interest extends well beyond probabilistic mechanics and structural reliability (it is found in all scientific domains in connection with the extreme values theory, such as financial mathematics or economical sciences), an innovative method is proposed, whose main idea emerged from the analysis of the results of a large-scale statistical study carried out within the MODNAT project. This study, which focuses on analyzing the behavior of the extreme values of elements of a large set of processes, has indeed revealed two germ functions explicitly related to the target probability (the first directly related, the second indirectly via a conditional auxiliary probability which itself depend on the target probability) which possess remarkable and recurring regularity properties for all the processes of the database, and the method is based on the joint exploitation of these properties and a "low level approximation-high level extrapolation" principle. Two versions of this method are first proposed, which are distinguished by the choice of the germ function and in each of which the latter is approximated by a polynomial. A third version has also been developed. It is based on the formalism of the second version but which uses as germ function an approximation of "Pareto survival function" type. The numerous presented numerical results attest to the remarkable effectiveness of the first two versions. They also show that they are of comparable precision. The third version, slightly less efficient than the first two, presents the interest of establishing a direct link with the extreme values theory. In each of its three versions, the proposed method is clearly an improvement compared to current methods dedicated to this type of problem. Thanks to its structure, it also offers the advantage of remaining operational in industrial context

En prévision numérique du temps, les modèles de prévision d'ensemble sont devenus un outil incontournable pour quantifier l'incertitude des prévisions et fournir des prévisions probabilistes. Malheureusement, ces modèles ne sont pas parfaits et une correction simultanée de leur biais et de leur dispersion est nécessaire.Cette thèse présente de nouvelles méthodes de post-traitement statistique des prévisions d'ensemble. Celles-ci ont pour particularité d'être basées sur les forêts aléatoires.Contrairement à la plupart des techniques usuelles, ces méthodes non-paramétriques permettent de prendre en compte la dynamique non-linéaire de l'atmosphère.Elles permettent aussi d'ajouter des covariables (autres variables météorologiques, variables temporelles, géographiques...) facilement et sélectionnent elles-mêmes les prédicteurs les plus utiles dans la régression. De plus, nous ne faisons aucune hypothèse sur la distribution de la variable à traiter. Cette nouvelle approche surpasse les méthodes existantes pour des variables telles que la température et la vitesse du vent.Pour des variables reconnues comme difficiles à calibrer, telles que les précipitations sexti-horaires, des versions hybrides de nos techniques ont été créées. Nous montrons que ces versions hybrides (ainsi que nos versions originales) sont meilleures que les méthodes existantes. Elles amènent notamment une véritable valeur ajoutée pour les pluies extrêmes.La dernière partie de cette thèse concerne l'évaluation des prévisions d'ensemble pour les événements extrêmes. Nous avons montré quelques propriétés concernant le Continuous Ranked Probability Score (CRPS) pour les valeurs extrêmes. Nous avons aussi défini une nouvelle mesure combinant le CRPS et la théorie des valeurs extrêmes, dont nous examinons la cohérence sur une simulation ainsi que dans un cadre opérationnel.Les résultats de ce travail sont destinés à être insérés au sein de la chaîne de prévision et de vérification à Météo-France
In numerical weather prediction, ensemble forecasts systems have become an essential tool to quantifyforecast uncertainty and to provide probabilistic forecasts. Unfortunately, these models are not perfect and a simultaneouscorrection of their bias and their dispersion is needed.This thesis presents new statistical post-processing methods for ensemble forecasting. These are based onrandom forests algorithms, which are non-parametric.Contrary to state of the art procedures, random forests can take into account non-linear features of atmospheric states. They easily allowthe addition of covariables (such as other weather variables, seasonal or geographic predictors) by a self-selection of the mostuseful predictors for the regression. Moreover, we do not make assumptions on the distribution of the variable of interest. This new approachoutperforms the existing methods for variables such as surface temperature and wind speed.For variables well-known to be tricky to calibrate, such as six-hours accumulated rainfall, hybrid versions of our techniqueshave been created. We show that these versions (and our original methods) are better than existing ones. Especially, they provideadded value for extreme precipitations.The last part of this thesis deals with the verification of ensemble forecasts for extreme events. We have shown several properties ofthe Continuous Ranked Probability Score (CRPS) for extreme values. We have also defined a new index combining the CRPS and the extremevalue theory, whose consistency is investigated on both simulations and real cases.The contributions of this work are intended to be inserted into the forecasting and verification chain at Météo-France

Ces travaux de thèse rapportent l'étude des instabilités non-linéaires et des évènements extrêmesse développant lors de la propagation guidée d'un champ électromagnétique au sein de fibresoptiques. Après un succinct rappel des divers processus linéaires et non-linéaires menant à lagénération de super continuum optique, nous montrons que le spectre de celui-ci peut présenterde larges fluctuations, incluant la formation d'événements extrêmes, dont les propriétés statistiqueset l'analogie avec les vagues scélérates hydrodynamiques sont abordées en détail. Nous présentonsune preuve de principe de l'application de ces fluctuations spectrales à la génération de nombres etde marches aléatoires et identifions le phénomène d'instabilité de modulation, ayant lieu lors de laphase initiale d'expansion spectrale du super continuum, comme principale contribution à la formationd'événements extrêmes. Ce mécanisme est étudié numériquement et analytiquement, en considérantune catégorie de solutions exactes de l'équation de Schrödinger non-linéaire présentant descaractéristiques de localisations singulières. Les résultats obtenus sont vérifiés expérimentalement,notamment grâce à un système de caractérisation spectrale en temps réel et à l'utilisation conjointede métriques statistiques innovantes (ex : cartographie de corrélations spectrales). L'excellent accordentre simulations et expériences a permis de valider les prédictions théoriques et d'accéder àune meilleure compréhension des dynamiques complexes inhérentes à la propagation non-linéaired'impulsions optiques.

Quatre événements El Niño extrêmes ont eu lieu durant les cinq dernières décennies (1972/1973, 1982/1983, 1997/1998 et 2015/2016) et étaient caractérises comme forts dans la région Niño 3.4. Ils présentent des différences significatives dans leur évolution qui induisent des anomalies distinctes de précipitations le long du versant Pacifique Péruvien illustrant la non-linéarité de la téléconnexion ENSO sur les précipitations dans cette région. Les pluies extrêmes ont un impact néfaste sur la population et les secteurs productifs en raison des inondations et des glissements de terrain qui s'ensuivent. Néanmoins, à ce jour, les patrons de circulation climatique clé de leurs évolutions et magnitudes différentes sont encore très peu connus. Dans cette thèse, nous montrons que les différentes configurations de précipitations lors de ces événements sont associées au transport de l'humidité provenant de différentes sources d'humidité à grande échelle. Lors des événements 1983-1998 (2016), ils sont respectivement liés à une forte (faible à modérée) humidité provenant du réchauffement du Pacifique (également mais aussi provenant de L'Atlantique via l'Amazonie). La caractéristique de ces transports d'humidité est due à une réponse atmosphérique opposée entre les événements de 1983-1998 (qui sont similaires) et l'événement de 2016 qui présente des patterns de transport d'humidité déphasés. Ces précipitations sont liées à l'humidité provenant de ces sources et la circulation atmosphérique régionale des vents de niveau supérieur (100 à 300 hPa) influe sur la quantité d'humidité qui pénètre dans la région Nord-Centre du versant Pacifique Péruvien. L'interaction de la circulation à grande échelle et régionale et le transport de l'humidité du Pacifique est expliqué par le mode Ep qui est associé à des précipitations dans la région Centre-Nord. La forte dispersion des précipitations dans les régions montagneuses est expliquée par le mode Cp pendant les phénomènes El Niño modérés (extrêmes) et est liée au transport d'humidité de niveau moyen-bas (haut) de l'Amazonie (Pacifique) atteignant les hautes terres
Four strong El Niño events took place within the last five decades (1972/1973, 1982/1983, 1997/1998 and 2015/2016) recorded as strong in the Niño 3.4 region. They can exhibit significant differences in their evolution associated with a distinct rainfall anomaly evolution along the PPB (Peruvian Pacific Basin), which illustrates the strong nonlinearity of the ENSO teleconnection on the rainfall in this area. These extreme rainfalls have harmful impacts on the population and productive sectors due to floods and landslides which are trigged by them. Yet the key climatic circulation pattern for their different evolution and magnitude are still unknown. Here we show that different rainfall patterns during these events are associated with moisture transport originated from different large-scale moisture sources. For example, in the 1983 -1998 (2016) events appear as related with strong (weak to moderate) moisture coming from the Pacific warming (also coming from Atlantic Ocean through the Amazon basin). Characteristic of these moisture transports is due to an atmospheric response opposite between the 1983-1998 events (that are similar) and 2016 event experiencing out-of-phase moisture transport patterns. Although these rainfalls are linked to the moisture arrival from those sources, the moisture amount entering the PPB can be also influenced by regional atmospheric circulation of upper level winds (100 to 300 hPa) leading to different enhanced moisture transport associated with different rainfall anomalies in the North-Centre PPB. The interplay of large-scale and regional circulation and Pacific moisture transport explains the Ep mode associated with rainfall in the north-Centre PPB. The high dispersion of rainfall in highlands (Cp mode) during the moderate (extremes) El Niño appears as linked to low-middle (high level) moisture transport from the Amazon (Pacific) reaching highlands

Contexte : Bien que l'hostilité et l'agressivité ne soient pas essentielles au diagnostic de la dépression, ces symptômes se sont révélés être très prévalents chez les patients déprimés et sont associés à des niveaux de comorbidité et de sévérité de la maladie plus élevés. En outre, des études ont montré que la dépression est associée de manière significative à des biais d’interprétation négatifs et que, selon les théories cognitives de la dépression, ces biais peuvent représenter un facteur de risque considérable pour l’apparition et/ou le maintien de la maladie. Alors que les biais d'interprétation négatifs soient reconnus comme un élément fondamental des modèles cognitifs de la dépression, peu d'études ont examiné les biais spécifiques du traitement de l'information, notamment le biais d’attribution d’intention hostile, chez des individus hostiles présentant des symptômes dépressifs. Méthodologie : À l'aide de données pré-recueillies auprès d'un échantillon de 72 (hommes = 41,6%, femmes = 58,3%) participants hostiles (n = 26) et non hostiles (n = 46), cette étude visait à examiner l'association entre la dépression et le biais d'attribution d’intention hostile en déterminant si les scores de niveau de dépression étaient liés de manière unique aux mesures électrophysiologiques du biais d'attribution hostile. Résultats : Le groupe hostile a montré des niveaux de dépression et d'agressivité réactive plus élevés que le groupe non hostile. En outre, les scores de dépression étaient des prédicteurs significatifs de l'effet N400 dans la condition non hostile, alors que l'agressivité réactive ne l'était pas, tandis que dans la condition hostile, le modèle global s’est avéré significatif, avec des niveaux de dépression et d'agressivité réactive montrant tous deux de fortes tendances vers la signification. Limites : Une petite taille d'échantillon a limité la portée des conclusions de l’étude. De plus, la sélection de l’échantillon n’a pas permis d'examiner les différences de groupe spécifiques concernant le biais d'attribution hostile dans les groupes déprimés et non déprimés. Conclusion : ii Cette étude souligne l’importance de mieux comprendre les mécanismes de perception associés à la dépression et d'envisager l'application de techniques de restructuration cognitive pour contrer les processus d'interprétation biaisés dans des contextes où la dépression et l'agression se croisent. Cette étude suggère également que des alternatives aux méthodologies d'auto évaluation pourraient être plus utiles lors de l'évaluation des processus automatiques et implicites.
Background: Hostility and aggression have been found to be highly prevalent among depressed patients and are associated with higher comorbidity and illness severity levels. Although negative interpretation biases are a fundamental element of cognitive models of depression, few studies have examined the specific biases in information processing, mainly the hostile attribution bias, found in hostile individuals who present depressive symptoms. Method: Using pre-collected data from a sample of 72 (male=41,6%, female=58,3%) undergraduate and community-based hostile (n=26) and non-hostile (n=46) adult participants, the authors aimed to examine the association between depression and the hostile attribution bias by determining whether depression level scores were uniquely related to electrophysiological measures of the hostile attribution bias. Results: The hostile group showed higher measured levels of depression and reactive aggression, compared to the non-hostile group. Also, depression scores were significant predictors of the N400 effect in the non-hostile condition, while reactive aggression was not, whereas in the hostile condition, the overall model was significant, with depression and reactive aggression levels both showing strong trends towards significance. Limitations: A small sample size limited the scope of our conclusions. Also, sample selection prevented the authors from examining specific group differences regarding the hostile attribution bias in depressed and non-depressed groups. Conclusion: This study highlights the importance of better understanding the perception mechanisms that are associated with depression and to consider the application of cognitive restructuring techniques to counter biased interpretation processes in settings where depression and aggression intersect. This study also suggests that alternatives to self-evaluative methodologies might be more useful when assessing automatic and implicit processes.