Littérature scientifique sur le sujet « Climat – Observations – Régions polaires »

En France, le développement du tourisme dans les zones polaires s’inscrit comme le résultat d’un « goût » pour les pôles qui s’est progressivement construit dans la société au cours du XXe siècle. Dans une période complexe, les années 1930, il aura également permis de faire accepter à la population française les politiques scientifiques mais aussi géostratégiques que le pays mène dans les terres de glace. La presse, et en particulier le presse scientifique grand public, est alors utilisée afin de démontrer l’utilité pour tous des recherches qui sont développées dans ces régions. Les médias parviennent ainsi à banaliser la destination. Dès 1930, la Compagnie transatlantique inscrit le Spitzberg dans son catalogue. Le climat et les contraintes de la vie sous ces latitudes, mais surtout les enjeux politiques que masque la présence de touristes dans ces zones, sont gommés au profit de finalités médicales et hygiéniques puis sociales.

La consommation de tabac est une des premières causes de mortalité évitable au niveau mondial. La dépendance au tabac s’observe dès l’adolescence. En complément des actions visant à prévenir l’entrée des jeunes dans le tabagisme, il est donc nécessaire de développer des stratégies spécifiques pour les adolescents déjà fumeurs. Un programme d’accompagnement au sevrage tabagique pour adolescents, TABADO, a montré son efficacité lors d’un essai contrôlé mené dans des centres de formation des apprentis en 2007/2009. En 2018, l’Institut national du cancer a souhaité généraliser TABADO au niveau national et l’étendre aux lycées professionnels. Pour accompagner ce processus de mise à l’échelle, il était essentiel d’élaborer la théorie d’intervention et d’analyser la transférabilité de TABADO en conditions de vie réelle et dans de nouveaux contextes, et de proposer les adaptations correspondantes. Une recherche spécifique a été conduite et détaillée par ailleurs. L’objectif de cette publication pragmatique est de présenter la nouvelle stratégie TABADO 2 aux acteurs et décideurs de santé publique, et le guide afférent développé pour les accompagner dans la mise en œuvre. Une étude de cas multiples ( n = 10) a été menée à partir de la mise en œuvre de TABADO dans trois régions françaises, qui reposait sur des observations, entretiens et séminaires de retour d’expérience. Elle a mis en évidence l’adaptation de l’intervention aux contextes locaux, ainsi que de nouveaux leviers interventionnels mis en œuvre. De plus, les investigations ont montré que pour instaurer un climat favorable à la démarche d’arrêt de la consommation de tabac et soutenir son maintien sur la durée, il était nécessaire d’inscrire TABADO dans une stratégie globale de l’établissement scolaire et de son environnement. Cette démarche a permis de proposer une transformation de l’intervention TABADO en une nouvelle stratégie – TABADO 2 – et de proposer un guide pour accompagner son déploiement national.

Ce travail de thèse porte sur l'étude de l’évolution de l'intensité et de la position de la bordure du vortex en fonction de la latitude équivalente sur la période 1979 - 2021 sur 3 niveaux isentropes (675 K, 550 K et 475 K) issus des réanalyses ECMWF ERA-Interim. Une analyse des dates de formation et de rupture des vortex polaires est incluse. Le cycle solaire et dans une moindre mesure, l'oscillation quasi-biennale, l'oscillation australe El Niño et l'oscillation arctique modulent l'évolution interannuelle de l’intensité de la bordure et des dates de rupture du vortex. Dans l’HS, une augmentation à long terme de l'intensité de la bordure du vortex et des dates de rupture est observée sur la période 1979 - 1999, liée à l'augmentation du trou d'ozone en Antarctique. Après des ruptures précoces entre 1981 et 1987, des vortex plus persistants sont apparus dans l’HN au cours des années 1990. Pour les deux hémisphères, on observe une bordure du vortex plus intense et une persistance lors des années de minimum solaire (minSC). Pour l’HS, la bordure du vortex est plus intense et dure plus longtemps pour les années maxSC/wQBO que pour les années maxSC/eQBO, et est un peu plus intense durant la phase ENSO froide (cENSO). Pour l’HN, l’intensité de la bordure est plus prononcée que dans l’HS durant la phase wQBO, et il est plus intense durant les années minSC/wQBO
This PhD study focuses on the study of the evolution of the stratospheric polar vortices over the last forty years. The intensity and position of the Southern and Northern stratospheric polar vortex edge are evaluated as a function of equivalent latitude over the 1979 - 2021 period on 3 isentropic levels in the lower and middle stratosphere (675 K, 550 K and 475 K) from ECMWF ERA-Interim reanalysis. An analysis of the onset and breakup dates of the polar vortices is included. The solar cycle and to a lower extent the quasi-biennal oscillation, El Niño Southern Oscillation and the Arctic Oscillation modulate the interannual evolution of the strength of the vortex edge and the vortex breakup dates. In the SH, long-term increase of the vortex edge intensity and breakup dates is observed over the 1979 - 1999 period, linked to the increase of the Antarctic ozone hole. After early break-ups between 1981 and 1987, more persistent vortex occured in the NH during the 1990s. For both hemispheres stronger vortex edge and longer vortex duration is observed in solar minimum (minSC) years. For the SH, the vortex edge is stronger and lasts longer for maxSC/wQBO years than for maxSC/eQBO years, and is somewhat stronger during cold ENSO phase (cENSO). For the NH, the stronger vortex edge is more pronounced than in SH during the wQBO phase, and it is stronger during minSC/wQBO years

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 Rayonnement Infrarouge Sortant au sommet de l'atmosphère en ciel clair (OLRc) de la ceinture inter-tropicale est un élément majeur du bilan radiatif terrestre. Afin d'estimer le champ OLRc au-dessus des régions tropicales et subtropicales, nous avons défini un modèle simple à deux paramètres de cette grandeur radiative. Les paramètres de ce modèle sont estimés avec des mesures provenant des satellites METEOSAT pour l'humidité et CERS/AQUA pour la température et le rayonnement. La construction de ce modèle physico-statistique est basée sur une approche analytique classique de l'OLRc que nous avons enrichie à l'aide d'études de sensibilités spectrales de ce flux à la Température de Surface (TS) et à l'Humidité Relative (RH). Les deux variables qui nous permettent de faire une estimation satisfaisante de l'OLRc de nuit sont TS et l'Humidité Relative moyenne de la Troposphère Libre (FTH). Nous étudions alors la sensibilité de l'OLRc aux variabilités de ces champs aux échelles saisonnières et interannuelles. Des zones de forte sensibilité du champ OLRc à la variabilité temporelle de FTH sont identifiées alors que ce champ synthétique est pratiquement insensible à la variabilité de TS. Nous évaluons par la suite la représentation de FTH et TS dans deux modèles de climat effectuant les mêmes expériences de sensibilités sur ces deux champs. Ces modèles représentent de façon satisfaisante la variabilité des champs FTH et TS aux deux échelles temporelles étudiées précédemment. Finalement, nous nous intéressons aux sensibilités de l'OLRc aux échelles climatiques en effectuant des analyses de sensibilités spectrales et verticales sur des profils moyens issus des modèles de climat
Clear-sky Outgoing Longwave Radiation (OLRc) in the inter-tropical belt is a major component of Earth's radiation budget. In order to estimate this radiative field over tropical and subtropical regions, we defined a simple OLRc model depending on two parameters. The parameters of this model are estimated from the METEOSAT satellite measurements for the humidity and from the CERES/AQUA instruments for the temperature and the radiation. The construction of this physical and statistical model is based on a classical analytical approach of OLRc we enriched with spectral sensitivities studies of this radiative magnitude to the Surface Temperature (TS) and to Relative Humidity (RH). The two variables that allow us to make a reasonable estimate OLRc by night are TS and the Mean Free Troposphere Relative Humidity (FTH). We study the sensitivity of OLRc to the variability of these fields at seasonal and inter-annual time scales. Areas of high sensitivity of OLRc to temporal variability of FTH are identified whereas the synthetic radiative field is practically insensitive to the variability of TS. We then evaluate the performance of two climate models in their reproduction of FTH and TS by performing the same sensitivity experiments on these two fields. These models represent adequately the variability of FTH and TS fields at both time scales studied previously. Finally, we look at the sensitivity of OLRc at climate time scales by performing spectral and vertical sensitivity analysis on mean profiles from climate models

La cryosphère a un rôle essentiel dans le système climatique entre autre parce qu'elle réfléchit une fraction importante de l'énergie solaire parvenant à la surface de la Terre et qu'elle contient une grande quantité d'eau douce sous forme solide. Du fait de la grande sensibilité de la cryosphère aux variables climatiques comme la température et les précipitations, les différents éléments de la cryosphère, tels que la calotte polaire Antarctique et la neige saisonnière dans les régions subarctiques, sont des indicateurs du changement climatique global. Toutefois, nos connaissances des régions polaires restent limitées par un manque d'observation in situ qui s'explique par l'isolement de ces régions et les conditions météorologiques difficiles. L'analyse de ces observations éparses peut être renforcée grâce à la télédétection spatiale et ainsi réduire les incertitudes sur les tendances climatiques observées aux hautes latitudes. En effet, la télédétection permet des observations continues et à grande échelle des régions polaires et subpolaires.
La télédétection passive, en particulier dans le domaine spectral des micro-ondes, est adaptée à l'interprétation et au suivi des propriétés physiques du manteau neigeux. Effectivement, le rayonnement micro-onde émane du sol ou du manteau neigeux lui-même, puis se propage jusqu'à la surface. Ainsi, le rayonnement émergeant contient de l'information sur les variations verticales des propriétés de la neige, telles que la température ou les propriétés de microstructure (taille de grains et densité). Ces trois propriétés de la neige déterminent l'émission micro-onde d'un manteau sec. Lorsqu'il est humide, la teneur en eau liquide devient par contre la propriété dominant l'émission. Les évolutions temporelles et les variations verticales de ces différentes propriétés sont définies par la métamorphose. Leur lien avec l'émission micro-onde est considéré dans le transfert radiatif.

Cette thèse a pour objectif d'expliquer l'émission micro-onde de la neige par voie de modélisation afin de comprendre l'évolution des principales propriétés physiques de la neige. Le transfert radiatif dans la neige a été calculé avec les modèles multicouches Microwave Emission Model of Layered Snowpacks (MEMLS) et MultiLayered Dense Media Radiative Transfer (DMRT-ML), s'appuyant sur des approches respectivement semi-empirique et théorique. Les profils stratigraphiques de la neige utilisés en entrée ont été mesurés, estimés de façon aléatoire, modélisés avec une relation simple de la métamorphose ou avec le modèle d'évolution thermodynamique de la neige Crocus.

Ces modèles et approches ont été appliqués sur deux types de manteau neigeux, permanent en Antarctique et saisonnier au Québec. Dans le premier cas, l'évolution temporelle de la température de brillance a été modélisée localement, à Dôme C, à partir de mesures in situ des propriétés de la neige. Dans cette approche, l'émissivité est modélisée à partir de mesures et reste par conséquent applicable localement. Pour modéliser l'émissivité à l'échelle de l'Antarctique, différents profils synthétiques de taille de grains et de densité ont été testés. Dans tous les cas, la variation verticale de la taille de grains est apparue déterminante pour prévoir l'émissivité en polarisation verticale. Cette sensibilité a été exploitée pour estimer à l'échelle du continent cette variable glaciologique importante. Le profil de densité et les propriétés de surface déterminent quant à eux l'écart entre les polarisations verticale et horizontale.
L'émission micro-onde d'un manteau saisonnier au Québec a également été abordée. La spécificité de l'étude est de prévoir l'évolution temporelle de la température de brillance avec un modèle d'évolution thermodynamique de la neige couplé à un modèle de transfert radiatif micro-onde, ici Crocus-MEMLS. Cette approche a permis d'interpréter finement l'évolution temporelle des températures de brillance mesurées avec un radiomètre au sol et de mettre en doute certaines relations physiques du modèle Crocus. Les résultats ont mis en évidence la complexité du signal micro-onde pour des manteaux évoluant rapidement à des températures proches du point de fusion.

L'ozone (O3) possède une anomalie isotopique en oxygène qui est unique et caractéristique, offrant ainsi un précieux traceur des processus oxydatifs à l'œuvre dans l'atmosphère moderne mais aussi ceux ayant eu lieu dans le passé. Cette signature isotopique, dénotée Δ17O, se propage au sein du cycle atmosphérique de l'azote réactif (NOx = NO + NO2) et est préservée lors du dépôt du nitrate (NO3-) présent dans l'aérosol, par exemple. L'anomalie isotopique en oxygène portée par le nitrate, Δ17O(NO3-), représente ainsi un traceur de l'importance relative de l'ozone ainsi que celle d'autres oxydants dans le cycle des NOx. Ces dernières années, de nombreux travaux de recherche ont été dédiés à l'interprétation des mesures de Δ17O(NO3-). Pourtant, les processus atmosphériques responsables du transfert de l'anomalie isotopique de l'ozone vers le nitrate ainsi que leur influence globale sur la composition isotopique du nitrate à différentes échelles spatiales et temporelles sont encore mal compris. De plus, la magnitude absolue ainsi que la variabilité spatio-temporelle de Δ17O(O3) sont peu contraintes, car il est difficile d'extraire de l'ozone de l'air ambiant. Cet obstacle technique contrecarre l'interprétation des mesures de Δ17O depuis plus d'une décennie. Les questions scientifiques posées au cours de ce travail de thèse ont été choisies dans le but de combler ces lacunes. Le principal outil d'analyse utilisé dans ce travail est la " méthode bactérienne " associée à la spectrométrie de masse en flux continu (CF-IRMS), une combinaison de techniques qui permet l'analyse de la composition isotopique totale du nitrate (c'est-à-dire, la mesure de δ15N, δ18O et Δ17O). Cette méthode a été employée pour l'analyse isotopique d'échantillons de nitrate obtenus pour deux cas d'études : (i) une étude des variations spatiales de la composition isotopique du nitrate atmosphérique sur la côte californienne à l'échelle journalière; et (ii) une étude du transfert du nitrate et de sa composition isotopique à l'interface entre l'air et la neige à l'échelle saisonnière sur le plateau Antarctique. En outre, cette méthode a été adaptée à la caractérisation isotopique de l'ozone via la conversion chimique de ses atomes d'oxygène terminaux en nitrate. Au cours de cette thèse, un important jeu de données rassemblant de nombreuses mesures troposphériques de Δ17O(O3) a été obtenu, incluant une année entière de mesures à Grenoble, France (45 °N) ainsi qu'un transect latitudinal de collecte dans la couche limite au-dessus de l'océan Atlantique, entre 50 °S to 50 °N. Ces observations ont permis de doubler le nombre de mesures troposphériques de Δ17O(O3) existantes avant cette thèse et d'accroître de manière conséquente notre représentation globale de cette variable isotopique essentielle. Enfin, les deux cas étudiés et présentés dans ce document révèlent des aspects nouveaux et inattendus de la dynamique isotopique du nitrate atmosphérique, avec d'importantes conséquences potentielles pour la modélisation de la qualité de l'air et l'interprétation de l'information isotopique contenue dans les carottes de glace prélevées aux pôles.

Dans les milieux froids, l'évolution des paysages a déjà été largement présentée comme le fait des processus morphogéniques glaciaires et périglaciaires. Or cette étude, menée au Spitsberg nord-occidental montre que le ruisselement, processus d'érosion azonal, occupe une place prépondérante dans le concert des processus de ce milieu polaire océanique. Alimenté par la fonte des stocks hydrologiques glaciaires et nivaux, le ruisselement enregistre des rythmes thermiques saisonniers de juin à septembre. Cependant, le ruissellement ne devient morphologiquement efficace que lorsqu'une couche active se met en place et autorise l'érosion des enveloppes paysagères. Ainsi, des versants aux littoraux, en passant par les moraines et les sandurs, chaque entité du Spitsberg enregistre les marques de ce processus d'ablation, de transport et d'accumulation. La quantification des processus montre que la vitesse de l'érosion par le ruissellement est 100 fois plus rapide sur des dépôts meubles que sur des roches en place (10 mm par an pour le recul d'une falaise morte depuis 9 000 ans, 8 mm par an pour l'érosion des moraines frontales abandonnées par les glacoers en recul depuis 1 siècle et seulement 0,09 mm par an pour la dénudation actuelle d'un bassin-versant carbonate). Ainsi, le ruisselllement doit être considéré comme un processus d'érosion des plus efficaces au Spitsberg, car c'est tout un contexte glacio-climatique qui lui est favorable. Des processus périglaciaires ont préparé des matériaux meubles que les glaciers ont convoyés. En phase de réchauffement climatique, comme celle que connaît le Spitsberg depuis la fin du petit âge glaciaire, le ruissellement prend le relais, dans l'espace et dans le temps, des processus froids et devient le principal responsable de la métamorphose rapide des paysages polaires

Alors que les tropiques couvrent une grande partie du globe, peu de données d’observations d’ozone sur le long terme existent dans cette région. En outre, les tropiques sont les régions où la majeure partie de l'ozone stratosphérique est formée. En effet, la région tropicale est le principal point d'entrée des espèces chimiques troposphériques et de la vapeur d'eau dans la stratosphère, redistribuées par la suite aux moyennes latitudes par la circulation de Brewer-Dobson. Le suivi de l'évolution de la couche d'ozone dans ces régions est basé sur des observations (satellitaires, au sol et instruments embarqués sur ballons). Ce suivi permet la quantification de la variabilité et les tendances de l'ozone stratosphérique dans le but de comprendre les changements passés et valider les modèles utilisés pour prédire l'évolution de l'ozone dans ces régions. Dans cette optique, le travail de cette thèse se divise en deux parties : tout d’abord, l’analyse et la comparaison entre les données du spectromètre UV-Visible SAOZ et celles de 10 instruments satellitaires aux tropiques au-dessus des stations de Bauru (22.18S, 49.06O) au Brésil et de La Réunion (21.11S, 55.53E) dans l’Océan Indien. Les colonnes d’ozone montrent un biais moyen négatif (-0.84%) entre les colonnes satellites et SAOZ (SAT-SAOZ) à Bauru contrairement à La Réunion (0.75%), où le biais est positif. De plus on observe une augmentation de ce biais à partir de 2004 à Bauru de -1.78%/décennie, moins importante à la Réunion (-0.8%/ décennie). L’étude de cette dérive a montré que cette dernière est corrélée à un soulèvement du profil vertical d’ozone aux latitudes équatoriales caractérisé par une dérive de latitude équivalente de la station de Bauru, non prise en compte dans le calcul de facteur de masse d’air (AMF) utilisé pour convertir les colonnes obliques mesurées par SAOZ en colonnes verticales (TOC). Par la suite, la capacité de 9 modèles de chimie-climat issus du projet CCMI à reproduire les colonnes observées, ses variations et les forçages externes sur la variabilité a été évaluée en comparant les simulations à celles de SAOZ et de la moyenne des satellites aux deux stations. Les modèles montrent une bonne restitution de la variabilité de la colonne d’ozone avec cependant une surestimation de 3% aux deux stations par rapport aux observations. L’analyse des forçages montre une contribution dominée par la QBO (~40%), suivie de l’ENSO (~20%), de l’activité solaire (~20%), de la dérive de latitude équivalente >10% à Bauru et <10% à La Réunion et plus faible pour les aérosols (<10%) en cohérence avec les observations
While the tropics cover a large part of the globe, few long-term ozone observations data exist in this region. In addition, the tropics are the regions where most of the stratospheric ozone is formed. Indeed, the tropical region is the main entry point for tropospheric chemical species and water vapor in the stratosphere, subsequently redistributed at mid-latitudes by the Brewer-Dobson circulation. Monitoring the evolution of the ozone layer in these regions is based on observations (satellite, ground-based and aircraft instruments). This monitoring allows the quantification of stratospheric ozone variability and trends to understand past changes and validate the models used to predict the ozone evolution in these regions. In this perspective, the work of this thesis is divided into two parts: firstly, the analysis and comparison between the UV-Visible SAOZ spectrometer data and those of 10 satellite instruments in the tropics above the Bauru stations (22.18S, 49.06W) in Brazil and Reunion Island (21.11S, 55.53E) in the Indian Ocean. The ozone columns show a negative average bias (-0.84%) between the satellite columns and SAOZ (SAT-SAOZ) in Bauru unlike Réunion (0.75%), where the bias is positive. Moreover, we observe an increase in this bias from 2004 in Bauru of -1.78% / decade, less important in Reunion (-0.8% / decade). The study of this drift has shown that the latter is correlated with an uplift of the vertical ozone profile at equatorial latitudes characterized by an equivalent latitude drift of the Bauru station, which is not considered in the calculation of the Air Mass Factor (AMF) used to convert the slant column measured by SAOZ into vertical column (TOC). Subsequently, the capacity of 9 CCMI-derived climate-chemistry models to reproduce the observed columns, its variations and external forcing on variability was evaluated by comparing the simulations with those of SAOZ and the monthly mean satellites at both stations. The models show a good restitution of the variability of the ozone column with however an overestimation of 3% at both stations compared to the observations. The analysis of the forcings shows a contribution dominated by QBO (~ 40%), followed by ENSO (~ 20%), solar activity (~ 20%), equivalent latitude drift > 10% at Bauru and < 10% at Reunion and lower for aerosols (<10%) consistently with observations

L'objectif de cette thèse est de proposer une méthode d'assimilation des observations des sondeurs infrarouges hyperspectraux en condition nuageuse. Ces observations étaient jusqu'à présent rejetées des modèles d'assimilation en raison de la nature complexe des nuages et de leursprocessus non-linéaires évoluant dans des échelles spatio-temporelles généralement inférieures à celle du modèle. L'émergence des techniques variationnelles ainsi que les améliorations réalisées en matière de modélisation nuageuse et de transfert radiatif ont relancé l'intérêt de la communauté scientifique pour l'assimilation des radiances nuageuses. Ces dernières représentent en effet une large majorité des observations des sondeurs hyperspectraux, et particulièrement dans les zones atmosphériques sensibles. La méthode d'assimilation des radiances nuageuses développée ici utilise l'information combinée des schémas de détection du CEPMMT et de caractérisation du CO2-Slicing. Pour être efficace ce schéma d'assimilation nécessite une bonne concordance des performances de détection et de caractérisation des nuages pour les deux algorithmes. La première partie de ce manuscrit a permis de montrer que les deux algorithmes sont capables de détecter de manière fiable les nuages. La bonne concordance des performances obtenues d'un schéma à l'autre justifie par ailleurs leur utilisation conjointe dans une otique d'assimilation des radiances nuageuses. Le schéma d'assimilation développé dans cette étude permet d'augmenter le volume total des observations assimilées de plus de 10% pour AIRS et de plus de 12% pour IASI, les observations supplémentaires étant majoritairement localisées dans les moyennes et hautes latitudes. La prise en compte de l'effet du nuage dans l'opérateur d'observation conduit par ailleurs à une simulation d'observations plus cohérente avec les observations réelles. Les expériences réalisées avec AIRS montrent un impact positif sur les prévisions sans être significatif pour la température,l'humidité et le vent. L'impact est significativement positif pour le géopotentiel. Les expériences préliminaires réalisées pour le sondeur IASI montrent un impact sur les prévisions plus mitigé. La prise en compte des données infrarouges issues des sondeurs hyperspectraux en condition nuageuse améliore la prévisibilité des évènements intenses pour les 2 cas d'étude traités dans ce manuscrit de thèse (tempête méditerranéenne du 26 septembre 2006 et tempête sur la bordure ouest Atlantique du 24 janvier 2009). L'assimilation opérationnelle de ce type de données pourrait ainsi permettre, entre autres, une meilleure gestion des risques et ainsi une prévention des menaces liées à ce type de situations plus efficace
The main goal of this PhD work is to propose an approach to deal with high-spectral-resolution infrared sounders in cloudy conditions. Untill now, these observations were rejected by the data assimilation system due to the complex nature of clouds and to their non-linear processes evolving into spatiotemporal scales lower than those of the model. The emergence of variational techniques as well as improvements achieved in terms of cloud modelisation and radiative transfer revived the interests of the scientific community for the assimilation of cloudy radiances. Indeed most measurements from high-spectral-resolution infrared sounders, and in particular, in atmospheric sensitive regions, are contaminated by clouds. The approach proposed here to deal with cloudy radiances is based on the combined information from the cloud detection algorithm developped by the ECMWF and the CO2-Slicing cloud characterization algorithm. To be efficient, this scheme thus needs a good correspondance in terms of cloud detection between these two algorithms. The fist part of this study demonstrates that these two algorithms are able to detect clouds efficiently. The good correspondance in performances obtained from both algorithms justify their conjoint use to assimilate cloudy radiances. The assimilation scheme developped in this PhD work enables to increase the total amount of assimilated observations by more than 10% for AIRS and by more than 12% for IASI, additional observations are mainly located at mid to high latitudes. In addition, taking into account the cloud effect into the observation operator leads to model equivalents more consistent with true observations. Experiments performed with the AIRS sounder exhibit a positive but not significant impact on forecasts for the temperature, the humidity and the wind. The impact is significantly positive for the geopotential. Preliminary experiments performed with the IASI sounder exhibit a rather mitigated impact. Taking into account cloudy radiances from high-spectral-resolution infrared sounders improves the predictability of intense event for both study cases treated in this work (a mediterrean storm occuring on the 26th of september 2006 and an atlantic storm on the 24th of january 2009). The operational assimilation of this kind of data will certainly enable, among others, a better risk management et thus a more efficient hazard prevention

Alors que depuis un peu plus de 2000 ans, le niveau moyen de la mer a peu varié, ce niveau s'est élevé d'environ 2 mm/an au cours du 20ème siècle. Cette hausse soudaine est attribuée au réchauffement climatique d'origine anthropique enregistré depuis plusieurs décennies. Depuis une douzaine d'années, on mesure de façon globale et précise les variations du niveau de la mer grâce aux satellites altimétriques Topex/Poseidon et Jason-1. Ces observations indiquent une hausse moyenne globale d'environ 3 mm/an depuis 1993, valeur sensiblement plus grande que celle des dernières décennies.
Diverses observations disponibles depuis peu nous ont permis de quantifier les contributions des divers facteurs climatiques à la hausse observée du niveau de la mer : expansion thermique de la mer due au réchauffement des océans, fonte des glaciers de montagne et des calottes polaires, apport d'eau des réservoirs continentaux. Le bilan de ces nouvelles observations nous permet d'expliquer en partie la hausse observée du niveau de la mer. En particulier, nous montrons que l'expansion thermique des océans n'explique que 25% de la hausse séculaire du niveau de la mer enregistrée par les marégraphes depuis 50 ans, tandis qu'elle contribue à la hauteur de 50% à la montée du niveau marin au cours de la dernière décennie. Parallèlement, des études récentes estiment que la fonte des glaciers de montagne et des calottes polaires pourraient contribuer pour environ 1 mm/an à l'élévation du niveau de la mer au cours de la dernière décennie.
De plus, la forte variabilité régionale des vitesses d'évolution du niveau de la mer révélée par les observations altimétriques de Topex/Poseidon résulte en grande partie de l'expansion thermique. Nous mettons également en lumière l'importante variabilité spatio-temporelle décennale de l'expansion thermique des océans au cours des 50 dernières années, qui semble dominée par les fluctuations naturelles du climat. De plus nous posons pour la première fois la question du lien qui existe entre les fluctuations décennales de l'expansion thermique des océans et la contribution climatique des eaux continentales au niveau de la mer. Enfin, une analyse préliminaire des observations gravimétriques de la mission spatiale GRACE sur les océans nous permet d'évaluer les variations saisonnières du niveau moyen de la mer liées aux variations du bilan de masse d'eau des océans.

La banquise joue un rôle majeur dans la circulation océanique ainsi que dans le système climatique et météorologique. Dans un contexte de réchauffement climatique, où l’étendue de la banquise arctique ne cesse de décroître depuis les 40 dernières années, le suivi et la surveillance de l’Arctique est essentiel. Les instruments micro-ondes à bord de satellites permettent l’étude de cette région terrestre par tous les temps, indépendamment du cycle jour/nuit. Particulièrement adaptées à l’observation des régions polaires où la présence de nuages est importante et où la nuit polaire dure six mois, les observations satellites micro-ondes sont la pierre angulaire des estimations des paramètres géophysiques de la banquise. Néanmoins, la compréhension de la physique sous-jacente aux signatures micro-ondes observées est encore partielle. Cette thèse a pour but d’améliorer notre compréhension des signaux micro-ondes de la banquise et se place dans le cadre de la préparation de deux prochaines missions d’observation de la Terre menée par l’Agence Saptiale Européenne : le Copernicus Imager Microwave Radiometer (CIMR) et le Copernicus polaR Ice and Snow Topography ALtimeter (CRISTAL). Dans une première partie, les covariabilités des signaux micro-ondes passifs, mis en avant par une technique de classification non supervisée, seront analysées et interprétées conjointement avec des signaux micro-ondes actifs à l’aide d’un modèle de transfert radiatif micro-onde spécifique à la banquise. Les résultats ont montré qu’il est possible d’identifier les comportements spécifiques de la concentration et de l’épaisseur de la glace de mer, et de la structure de la neige. L’importance du métamorphisme au sein du manteau neigeux pour l’interprétation des signaux micro-ondes passifs a été mis en évidence. Dans une deuxième partie, un algorithme d’estimation de l’épaisseur de la glace de mer à partir d’observations micro-ondes passives a été développé en utilisant une technique d’intelligence artificielle. Les résultats ont été comparés à des mesures in situ d’épaisseur de glace de mer et ont aussi montré de bonnes performances en comparaison à d’autres produits satellitaires d’épaisseur de glace de mer. En appliquant l’algorithme à une longue collection de données satellitaires intercalibrées, une série temporelle d’épaisseur de glace de mer arctique a été construite entre 1992 et 2020, ce qui en fait la plus longue à ce jour. Une dernière partie traite des techniques altimétriques micro-ondes pour la mesure des paramètres géophysique de la banquise. Une analyse de la sensibilité des formes d’ondes altimétriques micro-ondes à l’épaisseur du manteau neigeux de la banquise arctique est menée
Sea ice plays a major role in ocean circulation as well as in the climate and weather system. In the context of global warming, the extent of the Arctic sea ice has been decreasing steadily over the last 40 years and monitoring of the Arctic is essential. Microwave instruments on board satellites allow the study of this region of the Earth under all weather conditions, and regardless of the day/night cycle. Particularly suited over polar regions with high cloud cover and a six-month polar night, microwave satellite provide key observations for estimating geophysical parameters of the sea ice. Nevertheless, the understanding of the physics underlying the observed microwave signatures is still partial. This thesis aims at improving our understanding of the microwave signals of the sea ice and is part of the preparation of two upcoming Earth observation missions led by the European Space Agency: the Copernicus Imager Microwave Radiometer (CIMR) and the Copernicus Polar Ice and Snow Topography ALtimeter (CRISTAL). In a first part, the covariabilities of passive microwave signals, highlighted by an unsupervised classification technique, will be analyzed and interpreted jointly with active microwave signals, using a microwave radiative transfer model. The results showed that it is possible to identify specific behaviors of sea ice concentration and thickness, and snow structure. The importance of metamorphism within the snowpack for the interpretation of passive microwave signals was highlighted. In a second part, an algorithm for estimating sea ice thickness from passive microwave observations was developed using an artificial intelligence technique. The results were compared to in situ sea ice thickness measurements and also showed good performance compared to other satellite-based sea ice thickness products. By applying the algorithm to a long collection of intercalibrated satellite data, a time series of Arctic sea ice thickness was constructed between 1992 and 2020, making it the longest to date. A final section deals with microwave altimetry techniques for measuring geophysical parameters of the sea ice. The sensitivity of microwave altimetry waveforms to the thickness of the snow cover of the Arctic sea ice is analyzed