Littérature scientifique sur le sujet « Cycle hydrologique régional »

Les régions de montagne, particulièrement vulnérables aux fluctuations du climat, ont subi d’importantes modifications environnementales au cours du XXe siècle. L’augmentation observée des températures de l’air depuis les années 1950 a notamment engendré un net recul des glaciers, mais aussi du manteau neigeux à toutes les altitudes. Cette réduction de l’enneigement en montagne est un facteur préoccupant dans de multiples domaines, qu’il s’agisse des écosystèmes, des cycles hydrologiques, ou encore du tourisme alpestre. De nombreux travaux de recherche à travers le monde témoignent du réchauffement de l’air et de la réduction observée du manteau neigeux dans les massifs montagneux depuis les années 1950, essentiellement à basse et moyenne altitude, mais peu de synthèses de ces différents changements ont été faites jusque-là. Cette revue bibliographique a pour but de faire l’état des lieux des principaux changements observés du manteau neigeux depuis le XXe siècle dans les Alpes européennes et leur mise en relation avec les changements climatiques relevés sur la même période. Un aperçu des différentes conséquences déjà observées sur les cycles hydrologiques, le tourisme hivernal et les écosystèmes est également présenté, ainsi que les projections futures d’évolution des paramètres du manteau neigeux d’ici la fin du XXIe siècle. Cette revue bibliographique fournit une source d’information utile pour les futures recherches se focalisant sur l’étude de la saisonnalité du manteau neigeux en région de montagne et ses implications directes, en particulier dans les zones alpines et subalpines.

Le programme international de recherche HyMeX (Hydrological cycle in the Mediterranean eXperiment, www.hymex.org), composante du chantier multi-organisme MISTRALS lancé pour 10 ans en 2010, a pour objectif de progresser dans la compréhension du cycle de l'eau en Méditerranée, et notamment d'améliorer les connaissances et la prévision des risques hydrométéorologiques. L'étude et la prévision des épisodes de pluies intenses et crues rapides qui affectent régulièrement le pourtour méditerranéen sont au cœur du programme HyMeX. Après une présentation de la stratégie générale d'observations qui a combiné campagnes de mesures, renforcement d'observations pendant plusieurs automnes et collectes de données socio-hydrologiques après les évènements majeurs qu'a connu la région sur la période, une revue d'ensemble des avancées scientifiques réalisées depuis le lancement d'HyMeX est proposée tant en termes de connaissances et modélisation des épisodes méditerranéens de pluie intense et de leurs impacts, qu'en termes d'évaluation et amélioration des méthodes et systèmes de prévision, et plus particulièrement les systèmes de prévision d'ensemble hydrométéorologiques à courte échéance basés sur le modèle de prévision météorologique AROME de Météo-France.

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

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

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

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

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

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

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

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

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