Thèses de doctorat soutenues depuis 2017

Abstract: La réalisation commune de l'objectif du développement durable n°7 des Nations Unies visant à l'accès à une énergie propre et fiable pour tous d'ici 2030 et aux objectifs climatiques de l'accord de Paris nécessite le développement de micro-réseaux (MG), alimentés par des ressources énergétiques renouvelables locales, pour les zones isolées qui ne peuvent pas être connectées au réseau. C'est particulièrement le cas en Afrique subsaharienne où 600 millions de personnes, principalement dans les zones rurales reculées, n'ont pas accès à l'électricité. Cette thèse se concentre sur l'analyse des MG solaires non connectés au réseau (MGSI) pour répondre aux enjeux de la production d'électricité dans les zones isolées du continent africain. La faisabilité technico-économique propre à ces MG repose sur une forte adéquation temporelle entre la ressource solaire et la demande tout en limitant le coût de l'électricité fournie aux consommateurs.Nous explorons d'abord la variabilité temporelle multi-échelle de la ressource solaire en Afrique et son implication sur le dimensionnement des MGSI, en utilisant des données satellitaires à haute résolution de l'irradiance horizontale globale pour une période de 21 ans (1995-2015). La prise en compte des périodes de faibles ressources conduit à surdimensionner la surface photovoltaïque (PV) d'un facteur 1,3 à 4. Avec un tel surdimensionnement, il est possible d'assurer une bonne qualité de service sans dépendre d'un volume de stockage important. Pour certaines zones, une flexibilité de la demande pendant les périodes de faibles ressources permettrait de réduire significativement le dimensionnement.Nous analysons ensuite comment la saisonnalité potentielle de la demande électrique affecte la taille des MGSI, à travers l'analyse de la structure de co-variabilité entre la ressource solaire et la demande. Nous considérons que le MG doit répondre à une demande quotidienne totale d'au moins 95% des jours et à une variation saisonnière de la demande pouvant aller jusqu'à 30%. Alors que dans certaines régions d'Afrique, la taille requise pour répondre à la demande saisonnière est inférieure de 20% à ce qui est nécessaire pour répondre à la demande non saisonnière, elle peut également être supérieure de 20%. Nous explorons également dans quelle mesure l'effet de l'angle d'inclinaison des panneaux PV pourrait réduire l'inadéquation offre-demande et le dimensionnement. Généralement, l'angle d'inclinaison est égal à la latitude. Pour une demande quotidienne constante, le gain de taille obtenu en optimisant l'angle d'inclinaison est inférieur à 4%, mais pour des schémas de demande saisonniers spécifiques, il peut atteindre 9%.Enfin, le coût de l'électricité nécessaire pour assurer une bonne qualité de service est un facteur déterminant du déploiement potentiel des MGSI. Nous évaluons la sensibilité du coût actualisé de l'électricité (LCOE) et de la configuration optimale MG (c'est-à-dire avec le LCOE le plus bas) aux coûts des panneaux PV, des batteries et à d'autres paramètres économiques. Si la sensibilité du LCOE aux coûts actualisés est évidemment importante, la configuration optimale (surface des panneaux PV et capacité de stockage) est très robuste. La configuration optimale est presque uniquement déterminée par la structure de co-variabilité temporelle entre la ressource et la demande. Elle est donc dépendante d'une part du climat régional, et d'autre part de la structure temporelle de la demande. La variable d'ajustement est essentiellement le surdimensionnement des panneaux PV, qui est basé sur les faibles jours de ressource solaire tandis que le stockage a pour fonction principale de gérer l'inadéquation entre demande et ressource au niveau infra-journalier. Un résultat intéressant est que le LCOE est plus faible pour des utilisations productives de l'électricité comparé aux utilisations domestiques uniquement du fait de la capacité de stockage inférieure requise pour les utilisations productives.

Abstract: La qualité de l'air que nous respirons est responsable de nombreuses affections de santé allant de l'asthme aux pathologies cardio-vasculaires ou cancers. À l'échelle mondiale, la mauvaise qualité de l'air représente la 4e cause de mortalité, principalement due à la présence de particules fines (aérosols ou PM pour particulate matter) de propriétés physico-chimiques très variées et provenant de sources naturelles (forêts, poussières crustales, spray marin, etc.) ou anthropiques (trafic routier, chauffage résidentiel, cuisine, industrie, agriculture, etc.).
La diversité considérable de ces PM rend l'évaluation de leur toxicité complexe. Dans cette thèse, une mesure intégratrice des différentes propriétés physico-chimiques des aérosols (taille, forme, solubilité, composition chimique, etc.) est utilisée à travers la métrique du potentiel oxydant (PO) des particules. Cette mesure indirecte des espèces réactives de l'oxygène à travers les tests à l'acide ascorbique (AA) et au dithiothreitol (DTT) permet une vision de l'aérosol plus proche des impacts sanitaires.
Afin d'estimer les sources d'émissions responsables du PO, des études approfondies de la géochimie des sources et de leur quantification à travers des mesures longue durée de terrain et l'utilisation du modèle Positive Matrix Factorization (PMF) sont tout d'abord présentées. Les incertitudes des profils chimiques et des contributions des sources de PM sont également quantifiées et la variabilité géochimique entre sites estimée par la méthode deltaTool proposée par le groupe FAIRMODE. Une synthèse à grande échelle spatiale portant sur quinze sites de prélèvements grâce à une étude harmonisée montre la présence de 8 facteurs PMF présents sur l'ensemble du territoire : combustion de biomasse, trafic routier, émissions biologiques primaires, poussières crustales, sel marin âgé, MSA-rich, nitrate-rich et sulfate-rich. D'autres facteurs, propres à la spécificité de chacun des sites, sont également bien déterminés.
La contribution de ces sources au potentiel oxydant est ensuite étudiée grâce à la mesure conjointe du PO sur les filtres ayants permis les études PMF. Un modèle d'inversion simple (régression linéaire multiple) entre les sources de PM et le PO permet une estimation statistiquement satisfaisante de la contribution des sources au PO. La pertinence géochimique de ce modèle est évaluée à travers son application sur quinze séries annuelles (a minima) de mesure. Les sources présentant un PO intrinsèque les plus élevés sont le trafic routier, la combustion de biomasse, les poussières crustales et dans une moindre mesure les émissions primaires biogéniques pour le test au DTT et la combustion de biomasse et le trafic routier pour le test à l'AA. Ainsi, certaines sources contribuant de façon importante à la masse des PM ne contribuent pas ou peu à leur PO (notamment le nitrate-rich) et l'on observe une redistribution de l'importance des sources de PM selon que la métrique d'observation considérée est la concentration massique ou le potentiel oxydant.
Les mesures sur des séries de prélèvements annuels et la grande base de données utilisée regroupant plus de 1700 filtres permet également de mettre en évidence l'importance de l'exposition chronique au potentiel oxydant. L'importance de la combustion de biomasse en hiver, notamment en vallées alpines, fait de cette source la source principale du PO en moyenne annuelle. Cependant, la présence à de plus faibles concentrations mais relativement constantes au cours de l'année fait des émissions primaires du trafic routier la contributrice majeure à l'exposition chronique.
Finalement, de par l'estimation robuste d'un potentiel oxydant intrinsèque par typologie de source d'émission, cette thèse ouvre la voie à la prévision du PO par les modèles déterministes et à l'amélioration de la prise en compte du potentiel oxydant dans les études épidémiologiques, étapes importantes afin de permettre, à terme, l'utilisation de cette métrique pour la réglementation de la qualité de l'air.

Abstract: Deep polar ice cores contain records of both past climate and trapped air that reflects past atmospheric compositions, notably of greenhouse gases. This record allows us to investigate the role of greenhouse gases in climate variations over eight glacial-interglacial cycles. The ice core record, like all paleoclimate records, contains uncertainties associated both with the relationships between proxies and climate variables, and with the chronologies of the records contained in the ice and trapped air bubbles. In this thesis, we develop a framework, based on Bayesian inverse modeling and the evaluation of complex probability densities, to accurately treat uncertainty in the ice core paleoclimate record. Using this framework, we develop two studies, the first about Antarctic Temperature and CO2 during the last deglaciation, and the second developing a Bayesian synchronization method for ice cores. In the first study, we use inverse modeling to identify the probabilities of piecewise linear fits to CO2 and a stack of Antarctic Temperature records from five ice cores, along with the individual temperature records from each core, over the last deglacial warming, known as Termination 1. Using the nodes, or change points in the piecewise linear fits accepted during the stochastic sampling of the posterior probability density, we discuss the timings of millenial-scale changes in trend in the series, and calculate the phasings between coherent changes. We find that the phasing between Antarctic Temperature and CO2 likely varied, though the response times remain within a range of ~500 years from synchrony, both between events during the deglaciation and accross the individual ice core records. This result indicates both regional-scale complexity and modulations or variations in the mechanisms linking Antarctic temperature and CO2 accross the deglaciation. In the second study, we develop a Bayesian method to synchronize ice cores using corresponding time series in the IceChrono inverse chronological model. Tests show that this method is able to accurately synchronize CH4 series, and is capable of including external chronological observations and prior information about the glaciological characteristics at the coring site. The method is continuous and objective, bringing a new degree of accuracy and precision to the use of synchronization in ice core chronologies.

Abstract: West Antarctica, and particularly the Amundsen sector, has shown since the 1990s a large increase of mass loss related to coastal glacier acceleration in response to an increase of oceanic melt underneath ice shelves. Ice shelves play a buttressing role for ice-stream and increased oceanic melt therefore lead to ice shelves thinning and glacier acceleration, which contributes to sea level rise. West Antarctica is of particular concern because its configuration is prone to marine ice-sheet instability. It has been suggested that ice shelves weaken under large surface melt in a warmer climate (hydrofracturing), possibly leading to another kind of instability. Instabilities could be slowed down or compensated by future Surface Mass Balance (SMB) that consists mainly of snowfall, sporadic rainfall, and is slightly reduced by sublimation and runoff. The main objective of this PhD work is to model the atmospheric and oceanic processes that will most likely affect the future West Antarctic contribution to sea level rise.First, oceanic projections have been developed using the NEMO ocean model. The ocean circulation induced by ice-shelf basal melting affects the ocean response to future changes in surface winds. Therefore, models that do not represent ice-shelf cavities produce wrong warming patterns around Antarctica. A positive feedback between oceanic melting and grounding-line retreat has been identified and can increase melt rates by a factor of 2.5. These results are strong incentive to couple ocean and ice sheet models, although the projections proposed here are relatively idealized.To run SMB and surface melting projections, an atmospheric model with a fine representation of polar processes, including those related to the snowpack, is needed. MAR is found to be an appropriate tool to simulate the present-day surface climate in the Amundsen region. We find that none of the large climate modes of variability (ASL, SAM, ENSO) explains more than 50% of surface melt and SMB summer variance at the interannual timescale. The use of climate mode variability projections to estimate the future surface climate of West Antarctica is therefore not trivial.Forced by the CMIP5 multi-model mean under the RCP8.5 scenario, MAR predicts an increase of SMB by 30-40% for the end of the 21st century. This increase corresponds to 0.33 mm yr-1 of sea level drop down, which is higher than the current West Antarctic contribution of ~0.26 mm yr-1 from ice dynamics. Surface melt is also projected to increase by a factor of 5 to 15 over the Amundsen ice shelves, but most of it is projected to refreeze in the annual snow layer, so future melting should not have a strong contribution to SMB or hydrofracturing.To conclude we show that coupled ocean and ice sheet climate models are essential to simulate the future of Antarctica and Southern Ocean. A fine representation of surface melt and refreezing processes within the snowpack is also crucial as possible hydrofracturing is threatening in a warmer climate and it comes within a delicate equilibrium between snowfall, air temperature, and feedback related to albedo and humidity.

Abstract: Les glaciers Andins présentent des taux de recul parmi les plus importants au monde, et contribuent à la hausse du niveau des mers. Ils constituent aussi des ressources en eau vitales pour les vastes zones semi-arides le long de la Cordillère des Andes (10°N-56°S), en alimentant les rivières lors des sécheresses. En dépit du retrait des glaciers Andins, les mesures directes des fluctuations glaciaires sont éparses, de court terme, incomplètes, et ne permettent donc pas une estimation précise de la perte de glace récente à l'échelle de la chaîne entière. Décrire quantitativement cette perte à différentes échelles spatio-temporelle est cruciale afin de mieux anticiper les impacts écologiques, économiques et sociaux. Premièrement, nous avons évalué la performance d'une méthode visant à calculer les changements de masse des glaciers Andins. Cette méthode utilise les séries temporelles des modèles numériques de terrain (DEM) produit par des images stéréoscopiques Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER). Sur la zone de validation de la méthode, le Champ de Glace Nord de Patagonie (NPI), nous avons observé un bilan de masse fortement négatif de -1.06 ± 0.14 m w.e. a-1 pour la période 2000-2012. Ces résultats sont cohérent avec les estimations faites précédemment, mais aussi avec une seconde estimation (-1.02 ± 0.21 m w.e. a-1) obtenue indépendamment par différentiation de DEMs de meilleur résolution, Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) et Satellite pour l'Observation de la Terre 5 (SPOT5). Ce travail nous a permis de (i) valider la méthode appelée “ ASTER monitoring Ice towards eXtinction ” (ASTERIX) sur la totalité des Andes, (ii) confirmer l'absence de pénétration du signal radar SRTM dans la bande C sur la neige du NPI (sauf pour une petite région au dessus de 2900 m a.s.l) avec des effets négligeables sur le bilan de masse du NPI; et enfin (iii) fournir la base de travail pour une analyse des variations du bilan de masse du NPI durant différentes sous périodes entre 1975 et 2016, grâce à des DEMs supplémentaires. Ensuite, nous avons généré plus de 30000 DEMs ASTER afin de calculer la perte de l'intégralité des glaciers Andins, et ce pour les deux dernières décennies. La perte de masse à l'échelle des Andes s'élève ainsi à -22.9 ± 5.9 Gt a-1 (-0.72 ± 0.22 m w.e. a-1) pour la période d'étude entière, ou -26.0 ± 6.0 Gt a-1 en incluant les pertes subaquatiques. Toutes les régions affichent une diminution du volume de glace. Les taux les plus négatifs sont observés dans les Andes Patagoniennes (-0.78 ± 0.25 m w.e. a-1) et dans les Andes Tropicales (-0.42 ± 0.24 m w.e. a-1). Les pertes sont modérées dans les régions intermédiaires des Andes Arides (-0.28 ± 0.18 m w.e. a-1). Pour la première fois à l'échelle des Andes, une tendance inter-décennale de la perte volumique a été mise en évidence. Les taux d'amincissement des glaciers tropicaux et ceux situé sous 45°S sont négatifs et stables sur la période considérée. Cependant, alors que les glaciers des Andes arides sont proche de l'équilibre dans les années 2000, leur taux d'amincissement augmentent drastiquement à partir de 2010, coïncident ainsi avec une période de sécheresse intense depuis 2010. L'étude des contributions des pertes de masse décennales des glaciers aux débits des rivières révèle que la fonte de ces glaciers a en partie aidé à minimiser les impacts négatifs de cette sécheresse dans les Andes arides. Les résultats obtenus au cours de cette thèse apportent une meilleure compréhension des pertes récentes des glaciers Andins, localement et régionalement. Nous avons fourni un jeu de donnée multi-décennale de haute résolution, qui sera utile pour contraindre la diversité des estimations existantes de perte volumique récente à l'échelle des Andes. Ce travail constitue une base solide dans la poursuite des efforts de calibrations des modèles hydrologiques et glaciologiques, nécessaire et cruciale pour projeter le futurs des glaciers et le devenir des ressources en eau dans les Andes.

Abstract: Les carottes de glace sont des archive climatiques sans équivalents : les gaz contenus dans la glace de la région aride de l'Antarctique de l'Est permettent de reconstruire les compositions atmosphériques au cours des derniers 800 000 ans. Les gaz sont piégés pendant la compaction de la neige tombée sur l'inlandsis. Dans la neige en surface, aussi appelée névé, le réseau poreux interstitiel diminue jusqu'au pincement des pores qui piègent définitivement les gaz dans la glace. Cependant, le processus même de piégeage des gaz impacte l'enregistrement des signaux mesurés dans les carottes. L'interprétation de ces signaux demande de caractériser en quoi ils diffèrent de l'atmosphère passée. Le but de cette thèse est d'étudier deux effets altérant les enregistrements gaz des carottes, le piégeage par couches qui crée des irrégularités stratigraphiques et le lissage qui retire la variabilité rapide de l'enregistrement. Une attention particulière est portée sur les glaces de l'Antarctique de l'Est.Ce travail démarre avec l'étude multi-traceurs d'une carotte de névé forée au site de Lock-In en Antarctique de l'Est. Les résultats montrent que le bas du névé est un empilement hétérogène de strates se densifiant suivant une même évolution de leur réseau poreux. La stratification reflète simplement que certaines strates sont en avance (ou retard) dans leur densification, mais la fermeture des pores est similaire dans toutes les strates. Notamment, les strates contiennent toutes des quantités similaires de gaz, comme le montrent des mesures directes. Des mesures de chimie à haute-résolution montrent que les strates denses ont une haute conductivité liquide, suggérant que la stratification profonde du névé est due à une densification préférentielle induite par des impuretés.Ces connaissances sont appliquées pour étudier des variations centimétriques mesurées dans les signaux méthane des carottes de glace. Pour cette thèse, nous utilisons 6 nouveaux signaux méthane à haute résolution, mesurés dans des carottes d'Antarctique de l'Est à l'IGE. On montre que ces variations sont des artefacts dus aux irrégularités stratigraphiques causées par des strates denses se fermant en avance. Un modèle est proposé pour simuler la présence irrégulière de ces artefacts.Une nouvelle méthode est proposée pour estimer la distribution en âge des gaz dans les carottes, qui à l'origine du lissage des variations atmosphériques rapides. Elle peut être appliquée aux carottes de la dernière période glaciaire, et donne pour la première fois des indications quantitatives sur le lissage des signaux dans les carottes à très faible accumulation. Nos résultats montrent qu'en Antarctique de l'Est, le lissage est peu sensible au taux d'accumulation, et que plus d'information que prévu est préservée lors du piégeage.Enfin, nous présentons le développement d'un nouveau type de modèle micro-mécanique du névé. Son but est de simuler l'évolution des pores dans une strate de névé. Un tel modèle pourrait être utilisé pour contraindre le piégeage des gaz dans la glace, dans des conditions de période glaciaire.

Abstract: This thesis aims at modelling the rainfall hazard in a mountainous region of southeastern France centered on the Cévennes massif. This region undergoes intense rainfall events leading to flash floods, which have considerable socio-economics impacts. A statistical measure of hazard is the frequency of occurrence, or equivalently the return period. Since rainfall accumulates in both time and space, rainfall hazard in a multi-scale variable. This thesis propose a generic framework for rainfall hazard modelling over the continuum of spatio-temporal scales.The first part of this work allows to determine which is the most relevant statistical framework. The second part proposes a multi scale modelling of rainfall hazard for the region. Finally, the third part allows the multi-scale quantification of the frequency of occurrence of a given storm and of the related uncertainties.

Abstract: Les particules en suspension dans l'air (notées « PM » pour « Particulate matter ») sont aujourd'hui au coeur des préoccupations sociétales en raison de leur impact majeur sur la santé publique et leur forte participation au changement climatique. La matière organique (MO) représente généralement la première composante en masse des PM mais reste encore très mal appréhendée, en particulier la fraction organique d'origine biogénique primaire (PBOA). Des sucres primaires sont proposés comme des traceurs moléculaires pour étudier les processus de transport atmosphérique ainsi que pour estimer la contribution des PBOAs à la masse totale des PM. Cependant, les connaissances sont encore très limitées sur leurs distributions spatiales et temporelles (i.e., cycles journaliers, saisonniers et annuels), leurs principales sources d'émissions, ou encore les facteurs environnementaux qui déterminent leurs concentrations atmosphériques. Par ailleurs, si la comprehension du potentiel oxydant (PO) -proxy de l'effet sanitaire des PM- inhérent à la composante chimique des aérosols a relativement bien avancé ces dernières années, la contribution de cette fraction PBOA est encore est très mal connue. Ces différents aspects constituent les objectifs de ce travail de thèse. D'un point de vue méthodologique, nos questions ont été abordées par une approche interdisciplinaire, qui a impliquée l'exploitation statistique d'une large base de données et le couplage de campagnes de terrain spécifiques avec la mise en oeuvre d'une stratégie expérimentale novatrice développée pour l'étude simultanée des caractéristiques chimiques et microbiologiques des échantillons prélevés.Dans un premier travail basé sur l'exploitation d'une large base de données, nous avons montré que les PBOAs constituent une fraction très importante des PM en France, independamment de la typologie de l'environnement, contribuant en moyenne annuelle à 13 ± 4 % de la MO dans les PM10. On met en évidence une similitude entre les évolutions temporelles de concentrations et de ratios entre sucres primaires pour des sites localisés dans une même région géographique (jusqu'à une distance inter-sites d'environ 200 km). Ces observations indiquent que la source PBOA est très homogène spatialement sur des distances cohérentes avec celle de grands types d'écosystèmes. Cette observation a ensuite été validée par une expérimentation basée sur deux échantillonnages annuels de terrain qui nous a permis de démontrer (i) que les évolutions journalières des concentrations atmosphériques en sucres primaires sont déterminées par seulement quelques taxons microbiens atmosphériques, variables d'un point de vue regionale ; et (ii) que ces taxons proviennent respectivement de la flore locale et régionale pour les sites d'étude qui sont directement influencés et non par les activités agricoles. Enfin, dans le cadre d'étude de PO, nos résultats ont permis de démontrer (i) que tous les bioaérosols modèles testés possèdent un PO intrinsèque significatif, comparable pour certaines espèces à celui de composants chimiques atmosphériques modèles connus pour leur forte reactivité redox ; et (ii) qu'ils sont capables d'influencer significativement le PO des PM chimiques modèles ou collectées en condition réelle.Ces travaux apportent un nouveau regard sur l'importance massique des PBOAs et des nouvelles connaissances sur les sources et processus dominants conduisant à leur introduction dans l'atmosphère, ainsi que l'influence des facteurs environnementaux sur ces processus. L'ensemble des résultats de ce travail plaide pour une prise en compte systematique des PBOAs dans les modèles de chimie atmosphérique pour une meilleure prédiction de la qualité de l'air.

Abstract: The main objective of this thesis is to understand the millennial variability of atmospheric CO2 during the Marine Isotope Stage 6 (MIS 6), the penultimate glacial, period (185-135 kyr BP). During the early MIS 6 period (185-160 kyr BP), 6 millennial-scale climate oscillations can be observed in proxy records of Antarctic temperature, the bipolar see-saw phenomenon in the North Atlantic region, and Monsoon intensity in low latitudes. An intensified hydrological cycle and iceberg calving in the North Atlantic may have impacted on the Atlantic Meridional Overturning Circulation during MIS 6 (Margari et al., 2010). Atmospheric CO2 reconstructions from Antarctic ice cores can provide key information on how atmospheric CO2 concentrations are linked to millennial-scale climate changes. However, existing CO2 records from the Vostok ice core do not show the millennial variability due to the lack of suitable temporal resolution and precision. To understand atmospheric CO2 variability during MIS 6, a precision of less than 2 ppm is mandatory, because there is a possibility that we could observe small CO2 variability of less than 5 ppm during the smaller Antarctic isotope maxima events as observed during the last glacial period (Ahn and Brook, 2014; Bereiter et al., 2012).To investigate how atmospheric CO2 is related with climate change on millennial time scales during MIS 6, we reconstructed 150 samples of atmospheric CO2 data from the EPICA Dome C (EDC) ice core during the MIS 6 period (189.4-135.4 kyr BP). One minor and five major variabilities of atmospheric CO2 during the early MIS 6 period (189-160 kyr BP) were found. These variabilities are highly matched with Antarctic temperature. During the short stadials in the North Atlantic, atmospheric CO2 variations are negligible and decoupled with temperature variations in Dome C. During this period, the strength of upwelling in the southern ocean might not be sufficient to impact on atmospheric CO2. In addition, 2 modes of CO2 variations are present in the MIS 6 period. Carbon dioxide maxima (CDM) 6 lags abrupt warming in the Northern Hemisphere by only 100±360 yrs, while the lags for CDM 3 and 4 are much longer, 1,100±280 yrs on average. Theses 2 modes of CO2 variations might be related with a mode change of AMOC from the earliest MIS 6 to MIS 6.5. These two phenomena also are observed during the last glacial period. However, the limited available proxy data permit only an exploratory discussion of the mechanisms responsible for CO2 variability during MIS6. Because the boundary conditions of the last glacial period cannot be applied to MIS 6, additional proxy data and multiple modelling studies conducted during MIS 6 period are needed.

Abstract: The Arctic ocean shows a very strong seasonality trough the permanent presence of sea ice whose extent varies from 6 to 15 millions km2. As an interface, sea ice limits ocean – atmosphere interactions and impacts the global energy budget by reflecting most of the short-wave incoming radiations. The snow cover, at the surface, is a key element contributing to the optical properties of sea ice. Snow enhances further the surface albedo and thus delays the onset of the ice melt. In addition, snow is the main responsible for the vertical light extinction in sea ice. However, after the polar night, this low light transmitted to the water column is a limiting factor for primary production at the base of the oceanic food web. The snow cover, through the temporal evolution of its physical properties, plays a key role controlling the magnitude and the timing of the phytoplanktonic bloom. In the actual global warming context, sea ice undergoes radical changes including summer extent reduction, thinning and shifts in snow thickness, all of which already alter Arctic primary production on a regional and global scale.This PhD thesis aims to better constrain the snow cover contributions to the radiative transfer of sea ice and its impact on Arctic primary production. It is based on a dataset collected during two sampling campaigns on landfast sea ice. Physical properties of snow such as snow specific surface area (SSA) and density allow a precise modeling of the radiative transfer which is then validated by optical measurements including albedo, transmittance through sea ice and vertical profiles of irradiance in the snow.During the melt season, marine snow which shows strong spatial heterogeneity evolves fol- lowing four distinctive phases. The melting, which first appears at the surface and gradually propagates to the entire snowpack, is characterized by a decrease in SSA from 25-60 m2kg-1 to less than 3 m2kg-1 resulting in a decrease in albedo and an increase in sea ice transmittance. This is a chaotic period, where optical properties show a very strong temporal variability induced by alternative episodes of surface melting and snowfalls. The physical properties of snow are used in a radiative transfer model in order to calculate albedo, transmittance through sea ice and vertical profiles of irradiance at all depths. The comparison between these simulations and measured vertical profiles of irradiance in snow highlights the presence of snow absorbing impurities which were subsequently qualitatively and quantitatively studied. In average, impurities were composed of 660 ngg-1 of mineral dust and 10 ngg-1 of black carbon. They were responsible for a two-fold reduction in light transmitted through sea ice. The light extinction, calculated at all depths in sea ice, and represented by isolums, was compared to the temporal evolution of ice algae biomass. The results show that every significant growth in ice algae population is related to an increase of light in the ice. These growths were observed even at very low light intensities of 0.4 uEm-2s-2. Light variations in the ice were linked by snow metamorphism and snow melting at the surface.

Abstract: Malgré des conditions sèches qui prédominent depuis les années 1970, l'Afrique de l'Ouest a subi au cours des deux dernières décennies des épisodes d'inondations sévères qui ont provoqué de nombreux décès et dommages socio-économiques. L'émergence de ce nouveau problème montre une nouvelle facette de la sensibilité de cette région aux changements hydro-climatiques, appelant à une meilleure caractérisation de l'aléa inondation, des processus qui le génèrent, ainsi que la mise en place de méthodes permettant de projeter les évolutions futures de cet aléa pour mieux s'en prémunir. Dans ce contexte, la thèse cherche à répondre à trois questions principales :1) L'augmentation des dommages liés aux inondations s'est-elle accompagnée d'une intensification des crues extrêmes en Afrique de l'Ouest? 2) Comment modéliser les orages de mousson, premier facteur de génération du ruissellement, afin d'explorer l'impact de leurs caractéristiques sur les crues?3) Compte tenu des changements climatiques à l'oeuvre dans la région, à quelles tendances hydro-climatiques peut-on s'attendre dans le futur ?Dans un premier temps, on évalue l'évolution des crues en Afrique de l'Ouest au cours des soixante dernières années en utilisant de méthodes basées sur la théorie de valeurs extrêmes. Les résultats montrent une augmentation forte des événements hydrologiques extrêmes depuis les années 1970s dans les sous-bassins Sahéliens du fleuve Niger et depuis les années 1980s dans les sous-bassins soudano-guinéens du fleuve Sénégal. Les niveaux de retour calculés à partir des modèles non-stationnaires dépassent ceux qui ont été calculés avec un modèle stationnaire avec plus de 95% de certitude pour les périodes de retour les plus courtes (<10 ans). On présente ensuite des développements récents apportés à un simulateur stochastique d'orages de mousson à meso-échelle (StochaStorm). Ils incluent : une modélisation de l'occurrence de ces orages, la représentation explicite des valeurs de pluie extrêmes et une amélioration du schéma temporel d'intensité infra-événementielle. Implémenté et évalué à partir des donnés haute-résolution de l'observatoire AMMA-CATCH, le générateur montrent de très bonnes capacités à reproduire les propriétés des orages, confirmant son potentiel pour des études d'impact hydrologique. Enfin, une chaîne de modélisation est élaborée afin de proposer des projections hydrologiques pour le futur sur un bassin sahélien de meso-échelle (Dargol, 7000 km²). L'originalité de cette chaîne provient de la prise en compte du continuum d'échelles entre climat global et impact local à travers la représentation du régime des pluies à l'échelle des orages de mousson, dont les propriétés d'occurrence et d'intensité ont des impacts majeurs sur la réponse hydrologique. La chaîne de modélisation inclut le modèle climatique CP4-Africa, unique modèle à convection explicite fournissant des simulations de long terme en Afrique ; une méthode de débiaisage statistique ; le simulateur Stochastorm ; et un modèle pluie-débit spécifiquement adapté aux processus hydrologique sahéliens. La chaine est évaluée sur une période de contrôle 1997-2006 puis utilisée pour des projections futures montrant une hausse par un facteur 1,5 des débits maximums annuels et un doublement des volumes moyens annuels à l'horizon 2100.Les résultats ont des implications majeures notamment pour l'ingénierie hydrologique. Les méthodes actuellement utilisées pour appréhender les risques hydrologiques dans la région ne prennent pas en compte la non-stationnarité hydro-climatique risquant de sous-évaluer l'aléa hydrologique et sous-dimensionner les ouvrages hydrauliques utilisés pour s'en protéger. La thèse suggère aussi quelques pistes afin mieux définir les trajectoires hydrologiques passées et futures en incluant, au-delà des précipitations, les changements sociétaux et environnementaux, leurs interactions et rétroactions dans les approches de modélisation.

Abstract: L'estimation de crues de projet est requise pour le dimensionnement de barrages et de bassins de rétention, de même que pour la gestion des inondations lors de l'élaboration de cartes d'aléas ou lors de la modélisation et délimitation de plaines d'inondation. Généralement, les crues de projet sont définies par leur débit de pointe à partir d'une analyse fréquentielle univariée. Cependant, lorsque le dimensionnement d'ouvrages hydrauliques ou la gestion de crues nécessitent un stockage du volume ruisselé, il est également nécessaire de connaître les caractéristiques volume, durée et forme de l'hydrogramme de crue en plus de son débit maximum. Une analyse fréquentielle bivariée permet une estimation conjointe du débit de pointe et du volume de l'hydrogramme en tenant compte de leur corrélation. Bien qu'une telle approche permette la détermination du couple débit/volume de crue, il manque l'information relative à la forme de l'hydrogramme de crue. Une approche attrayante pour caractériser la forme de la crue de projet est de définir un hydrogramme représentatif normalisé par une densité de probabilité. La combinaison d'une densité de probabilité et des quantiles bivariés débit/volume permet la construction d'un hydrogramme synthétique de crue pour une période de retour donnée, qui modélise le pic d'une crue ainsi que sa forme. De tels hydrogrammes synthétiques sont potentiellement utiles et simples d'utilisation pour la détermination de crues de projet. Cependant, ils possèdent actuellement plusieurs limitations. Premièrement, ils reposent sur la définition d'une période de retour bivariée qui n'est pas univoque. Deuxièmement, ils décrivent en général le comportement spécifique d'un bassin versant en ne tenant pas compte de la variabilité des processus représentée par différents types de crues. Troisièmement, les hydrogrammes synthétiques ne sont pas disponibles pour les bassins versant non jaugés et une estimation de leurs incertitudes n'est pas calculée. Pour remédier à ces manquements, cette thèse propose des avenues pour la construction d'hydrogrammes synthétiques de projet pour les bassins versants jaugés et non jaugés, de même que pour la prise en compte de la diversité des types de crue. Des méthodes sont également développées pour la construction d'hydrogrammes synthétiques de crue spécifiques au bassin et aux événements ainsi que pour la régionalisation des hydrogrammes. Une estimation des diverses sources d'incertitude est également proposée. Ces travaux de recherche montrent que les hydrogrammes synthétiques de projet constituent une approche qui s'adapte bien à la représentation de différents types de crue ou d'événements dans un contexte de détermination de crues de projet. Une comparaison de différentes méthodes de régionalisation, notamment basées sur des approches spatiales, de similarité ou de voisinage, montre que les hydrogrammes synthétiques de projet spécifiques au bassin peuvent être régionalisés à des bassins non jaugés à l'aide de méthodes de régression linéaires et non linéaires. Il est également montré que les hydrogrammes de projet spécifiques aux événements peuvent être régionalisés à l'aide d'une approche d'indice de crue bivariée. Dans ce contexte, une représentation fonctionnelle de la forme des hydrogrammes constitue un moyen judicieux pour la délimitation de régions ayant un comportement hydrologique de crue similaire en termes de réactivité. Une analyse de l'incertitude a montré que la longueur de la série de mesures et le choix de la stratégie d'échantillonnage constituent les principales sources d'incertitude dans la construction d'hydrogrammes synthé- tiques de projet, et que cette incertitude se propage dans le processus de régionalisation. Cette thèse démontre qu'une approche de crues de projet basée sur un ensemble de crues permet la prise en compte des différents types de crue et de divers processus. Ces travaux permettent de passer de l'analyse fréquentielle statistique de crues vers l'analyse fréquentielle hydrologique de crues permettant de prendre en compte les processus et conduisant à une prise de décision plus éclairée.

Abstract: Le déphasage entre augmentation de température et augmentation de gaz à effet de serre dans l'atmosphère lors des grandes transitions climatiques passées est estimé grâce aux mesures effectuées dans les carottes de glace polaires dans la phase glace pour la température et dans la phase gaz (bulles d'air piégées) pour la concentration en gaz à effet de serre. Ce déphasage est encore mal contraint et, pour résoudre ce problème, il est nécessaire de mieux comprendre le processus mécanique de transformation de neige en glace près de la surface de la calotte (centaine de mètres supérieurs, le névé). En l'absence de fusion, la transformation de la neige (matériau à porosité ouverte en contact avec l'atmosphère) en glace (matériau contenant des bulles d'air isolées) s'effectue progressivement sous l'action des gradients de température près de la surface, puis sous l'action du poids des couches de neige situées au-dessus. Selon les conditions de température et précipitation, ce processus peut prendre quelques décennies à plusieurs millénaires et s'étend sur une centaine de mètres de profondeur. Il contrôle la différence d'âge entre la glace et les gaz qu'elle renferme. La prédiction de la profondeur de piégeage des gaz représente un enjeu majeur pour la paléoclimatologie en particulier sur la séquence des changements relatifs de température et de concentration en gaz à effet de serre.
Un modèle thermo-mécanique de densification de la neige a été conçu et développé au LGGE en intégrant la formulation des processus mécaniques, des propriétés thermiques, et des critères de piégeage des gaz. Les performances de ce modèle peuvent être testées et améliorées grâce à des études de structure de névés actuels (densité, rapport porosité ouverte/fermée, ...). Pour les périodes plus anciennes, des mesures d'isotopes des gaz inertes &#948;15N et &#948;40Ar) dans l'air piégé dans les carottes de glace polaire permettent d'obtenir des informations directes sur les variations passées de la structure du névé (e.g. épaisseur de la zone diffusive). Les larges divergences observées en Antarctique entre les sorties de modèle de densification et les mesures isotopiques de gaz piégé dans la glace génèrent une grande incertitude sur les reconstructions climatiques passées et comprendre ce désaccord est un défi majeur de la paleoclimatologie actuelle.
Dans le cadre de cette thèse, nous avons pris en compte les influences de la dépendance à la température des énergies d'activation et des impuretés chimiques (poussières) sur la vitesse de densification. Cela a permis de concilier les données et le modèle. Les résultats du modèle modifié sont globalement cohérents avec les profils de densité mesurés pour des névés actuels et les données d'isotopes de gaz inertes pour les déglaciations (aussi appelées terminaisons). Nous avons également présenté de nouvelles mesures à haute résolution de &#948;15N et &#948;40Ar pour les terminaisons 2 (129-138 ka) et 3 (243-251 ka) des carottes antarctiques de Dôme C et Vostok. Nous avons montré que les différentes évolutions de &#948;15N entre les différents sites et différentes déglaciations s'expliquaient largement par les différences de taux d'accumulation qui contrôlent la profondeur de transition neige – glace. Nous avons aussi montré que l'utilisation des isotopes de l'air était un complément important à l'utilisation des isotopes de l'eau pour contraindre la dynamique climatique locale en Antarctique de l'Est lors des déglaciations.
Enfin, comme nous avons montré que les conditions locales de température et d'accumulation, généralement reconstruites par les teneurs isotopiques en Antarctique et la concentration de certaines espèces chimiques, sont des paramètres clefs pour la densification du névé, nous avons exploré comment composition isotopique de l'eau et composition chimique sont liées en Antarctique à la fois lors des déglaciations et à l'échelle journalière grâce à une mission de terrain que j'ai effectuée à la base Antarctique de Dumont d'Urville.

Abstract: a densification du névé en glace est un processus essentiel à comprendre pour interpréter les enregistrements climatiques. Une bonne connaissance des mécanismes permet une datation précise de l'air capturé dans la glace lors de la fermeture des pores. Celle-ci est plus vieille que l'air capturé à cause du transport des gaz dans la colonne de névé plus rapide que la densification de celui-ci. Cette différence d'âge entre la glace et le gaz est généralement appelé le &#916;age. La densification de la neige consiste en un processus complexe de réarrangement de grains, de frittage et de déformation viscoplastique. Bien que le comportement viscoplastique du cristal de glace soit fortement anisotrope, les modèles de densification actuels ne tiennent pas compte de cette anisotropie. De plus, le caractère granulaire du névé affecte aussi sa densification. La relation entre la fermeture des pores et les mécanismes microstructuraux sous-jacents est encore méconnue. Le but de cette thèse est d'incorporer l'aspect granulaire ainsi que l'anisotropie du cristal de glace dans une approche de modélisation innovante de la densification. Des expériences sur l'indentation viscoplastique de cylindres monocristallins de glace ont été réalisées pour proposer une loi de contact basée sur la théorie de l'indentation, et prenant en compte la déformation préférentielle du cristal de glace sur les plans basaux. Cette loi de contact a été implémentée dans un code utilisant la méthode des éléments discrets pour prédire la densification du névé.
La micro-tomographie aux rayons X a été utilisée pour caractériser ex situ le névé polaire en trois dimensions à différentes étapes de la densification (&#961;= 0.55-0.88 g/cm3), i.e. pour différentes profondeurs (~23 à 130m). Une étude fine de la fermeture des pores et de différentes caractéristiques morphologiques et physiques a été réalisée pour les sites polaires Dome C et Lock In. Des essais mécaniques ont aussi été réalisés in situ sur du névé extrait de Dome C dans le but de modéliser la densification du névé. Les observations microstructurales des expériences ex situ et in situ révèlent d'importantes différences dues aux vitesses relativement importantes utilisées lors des essais mécaniques. Ces vitesses rapides permettent de découpler la contribution des cinétiques de diffusion de la contribution viscoplastique de la déformation. Les effets de ces contributions sur la morphologie des pores et leurs fermetures sont discutés. Pour caractériser la fermeture des pores, cette thèse propose un indice de connectivité définit par le ratio entre le volume du plus gros pore sur la porosité totale. En effet, cet indice est plus approprié lors de l'utilisation de la tomographie aux rayons X que le ratio de pores fermés pour prédire la densité au close-off.

Abstract: Une modélisation précise du manteau neigeux saisonnier est indispensable pour comprendre son évolution et améliorer la prévention du risque d'avalanche. Le Centre d'Études de la Neige (CEN) développe depuis plus de 20 ans un modèle de manteau neigeux nommé Crocus dédié à simuler son évolution et ses propriétés physiques uniquement à partir de variables météorologiques de surface. Les erreurs du modèle et l'imprécision des forçages météorologiques sont des sources inévitables d'incertitudes dans les prévisions de Crocus. Contraindre le modèle avec des observations peut être un moyen de minimiser l'impact de ces incertitudes dans les simulations. En raison de la faible densité des réseaux de mesures in situ et de la forte variabilité spatiale du manteau neigeux, il est vraisemblable que seule l'imagerie satellitaire puisse permettre une contrainte efficace du modèle. Le spectroradiomètre MODIS, fournissant quotidiennement des informations sur la surface terrestre à une résolution de 250 m, est bien adapté pour l'observation du couvert nival. Ce capteur opère dans les domaines du visible et de l'infrarouge où les réflectances mesurées (rapport du flux solaire réfléchi sur incident selon les longueurs d'onde) sont sensibles à certaines propriétés du manteau neigeux. Le nouveau schéma radiatif TARTES de Crocus est en mesure de simuler l'évolution de ces réflectances, ce qui ouvre la voie à l'assimilation des réflectances MODIS. L'objectif de la thèse est d'explorer l'assimilation des réflectances MODIS dans le modèle de manteau neigeux Crocus, dans une perspective opérationnelle à moyen terme. Ce projet s'appuie fortement sur l'expertise en modélisation physique et radiative du manteau neigeux et en assimilation de données présente au Centre d'Études de la Neige et au Laboratoire de Glaciologie et Géophysique de l'Environnement à Grenoble. Le projet s'est déroulé en deux étapes pour répondre aux questions suivantes : 1) Les réflectances optiques satellitaires possèdent-elles un contenu informatif capable de contraindre efficacement le modèle Crocus ? 2) Quels sont les obstacles à surmonter pour parvenir à l'assimilation effective des réflectances optiques mesurées par satellites ? Un filtre particulaire est utilisé comme méthode d'assimilation pour évaluer l'apport des réflectances sur les estimations du manteau neigeux en termes de hauteur de neige et son équivalent en eau liquide. Le choix de ce filtre, permis par la petite dimension du problème, est conforté par sa facilité d'implémentation au vu des contraintes fortes du modèle Crocus. Les expériences conduites dans cette étude sont réalisées au niveau du Col du Lautaret et du Col de Porte (Alpes françaises). Des expériences d'assimilation d'observations virtuelles démontrent le potentiel des réflectances spectrales pour guider Crocus dans ses estimations du manteau neigeux. L'erreur quadratique moyenne (RMSE) des variables intégrées de la hauteur de neige et de son équivalent en eau est réduite de près de moitié par l'assimilation des observations. L'efficacité de l'assimilation est cependant fortement dépendante de la distribution temporelle des observations. Des expériences d'assimilation de réflectances réelles mettent en évidence une grande sensibilité des résultats de l'assimilation à la qualité des observations. La conversion et le traitement des données MODIS au sommet de l'atmosphère (TOA) en réflectances de surface sont la cause de fortes incertitudes dans ces données. Les biais occasionnés et une mauvaise caractérisation de ces erreurs détériorent les estimations du manteau neigeux. Le contrôle qualité et la sélection des données satellitaires sont à ce titre une priorité dans la perspective d'assimilation des données satellitaires. Ce travail démontre ainsi le potentiel des données spatiales pour le suivi et la prévision du manteau neigeux, potentiel qu'il conviendra d'exploiter dans un futur proche.

Abstract: L'évolution du climat sur les prochaines dizaines voire centaines d'années pose de nombreuses
interrogations, du fait de l'impact de l'homme. En effet, les émissions de gaz à effet de serre
depuis le début de l'ère industrielle entrainent une augmentation des températures. Celle-ci est
susceptible d'affecter les écosystèmes terrestres, notamment dans les régions boréales où les
augmentations de température observées et projetées sont plus importantes que dans les
moyennes latitudes. Une évolution de ces écosystèmes peut entrainer des rétroactions sur le
climat. Ainsi le phénomène actuel observé de verdissement des régions boréales (ou « Arctic
greening ») peut par exemple augmenter ce réchauffement via une diminution de l'albédo du fait
de l'augmentation du couvert végétal. Afin de répondre à ces interrogations, des modèles
climatiques ont été développés, intégrant des modèles de surface continentale représentant les
flux de matière et d'énergie. Le travail effectué dans cette thèse a été mené à partir de l'un d'eux,
le modèle de surface continentale ORCHIDEE, qui comprend une description succincte de la
végétation boréale. L'objectif de cette thèse était donc l'implémentation puis la modélisation de la
végétation boréale.
Afin de décrire la végétation présente au niveau des hautes latitudes, i.e. les toundras et les
steppes, de nouveaux types de végétation (PFTs) ont été intégrés au modèle à partir des PFTs
déjà présents. Tout d'abord, les plantes non vasculaires (NVPs) ont été introduites pour
représenter les lichens et les bryophytes présents dans les toundras désertiques et les tourbières,
ensuite les buissons pour représenter une strate intermédiaire entre les arbres et les herbacées
dans les toundras, et enfin des herbacées C3 boréales pour distinguer la végétation considérée
dans les steppes boréales et les prairies tempérées. La description de cette végétation boréale
s'est accompagnée de l'intégration de nouveaux processus caractéristiques, allant de
l'implémentation d'interactions nouvelles telles que la protection des buissons par la neige en
hiver, au simple choix de nouveaux paramètres du PFT avec par exemple la diminution de la
capacité photosynthétique des herbacées C3 boréales par rapport aux C3 tempérées, en passant
par la modification de processus déjà présents dans le modèle comme la conductance stomatique
des NVPs. D'autres processus en lien avec la végétation ont également été mis à jour ou corrigés.
Enfin, pour modéliser la dynamique de la végétation boréale, les nouveaux PFTs ont été intégrés
à la description initialement présente dans le modèle.
Ces modifications ont permis de modéliser la végétation boréale et ses impacts sur les autres
variables du système (flux de matière ou d'énergie), soit avec une végétation prescrite
(simulations de la période récente), soit avec une végétation dynamique (simulations présentes et
futures, à partir des scénarios RCPs 4.5 et 8.5). Les simulations effectuées avec la végétation
prescrite montrent que l'on représente mieux le comportement de la végétation avec les nouveaux
PFTs. Avec les PFTs originaux la productivité et la biomasse étaient surestimées dans les régions
boréales et entrainaient une sous-estimation de l'albédo et une surestimation de la transpiration.
Les simulations avec une végétation dynamique ont démontré la capacité du modèle à
représenter avec la nouvelle végétation boréale les biomes actuels ainsi que l'« Arctic greening ».
Par contre, l'embuissonement observé dans plusieurs études n'a pas été reproduit. De même,
l'impact des nouveaux PFTs sur les autres sorties du modèle est important, avec par exemple une
diminution de la productivité ou de l'albédo en hiver par rapport à la végétation originale. Ainsi,
globalement l'introduction des PFTs boréaux s'est traduite par une meilleure description des
écosystèmes arctiques et des échanges d'énergie et de matière avec l'atmosphère. Par contre, la
protection du pergélisol par les NVPs n'a pas été aussi importante qu'attendu et a été compensée
par une augmentation de l'humidité du sol (due aux buissons et herbacées boréales).
L'introduction de la nouvelle végétation boréale dans le modèle ORCHIDEE semble donc
pertinente et met en évidence l'importance de la représentation de ces écosystèmes. Ce travail
ouvre donc des perspectives pour améliorer les simulations climatiques, tant futures que passées.
La prochaine étape est de modéliser la végétation depuis l'Holocène jusque dans le futur afin de
simuler la quantité de carbone contenu aujourd'hui dans le pergélisol, et projeter le devenir de
ces stocks dans le contexte de réchauffement climatique et de fonte du pergélisol.

Abstract: De nombreux lits de rivières à travers le monde se sont récemment stabilisés et végétalisés à cause des modifications anthropiques de leur régime hydrologique et sédimentaire. Cette végétation augmente le risque d'inondation et détériore la qualité écologique des milieux. Utiliser des crues artificielles pour limiter l'installation de végétation sur les bancs est une option sérieusement considérée par les gestionnaires. Dans ce contexte, ce travail a pour objectif de comprendre l'action des crues sur la destruction de la végétation et d'identifier les mécanismes associés. Notre site d'étude est l'Isère en Combe de Savoie, une rivière très aménagée des Alpes Françaises. Notre approche méthodologique couple l'analyse de photos aériennes en lien avec l'hydrologie à l'échelle du tronçon (20 km) et des observations de terrain complétées par une modélisation hydraulique à l'échelle du banc. A l'échelle du tronçon, les débits associés à des temps de retour infra-annuels semblent avoir un impact sur la destruction de végétation. Cependant, les surfaces détruites restent modestes (3,4% de destruction annuelle des surfaces végétalisées en moyenne depuis 1996). A l'échelle du banc, des crues annuelles et infra-annuelles n'ont pas permis la destruction de végétation. Seule une crue de temps de retour 10 ans ayant conduit à une forte mobilité sédimentaire a partiellement détruit la végétation pionnière sur les bancs suivis. En général, la destruction de végétation sur les bancs de l'Isère est liée à la mobilité des macroformes à grande échelle.

Abstract: Il est connu qu'avoir un système d'observation de la pluie de haute résolution spatio – temporelle est crucial pour obtenir de bons résultats dans la modélisation pluie – écoulement. Le radar est un outil qui donne des estimations quantitatives de précipitation avec une très bonne résolution. Lorsqu'il est fusionné avec un réseau des pluviomètres les avantages des deux systèmes sont obtenus. Cependant, les estimations fournies par le radar ont des incertitudes différentes à celles qui sont obtenus avec les pluviomètres. Dans le processus de calcul pluie – écoulement l'incertitude des précipitations interagit avec l'incertitude du modèle hydrologique. L'objectif de ce travail est d'étudier les méthodes utilisées pour quantifier l'incertitude dans l'estimation des précipitations par fusion radar – pluviomètres et de l'incertitude dans la modélisation hydrologique, afin de développer une méthodologie d'analyse de leurs contributions individuelles au traitement pluie – écoulement.
Le travail est divisé en deux parties, la première cherche à évaluer: Comment peut-on quantifier l'incertitude de l'estimation des précipitations par radar? Pour répondre à la question, l'approche géostatistique par Krigeage avec Dérive Externe (KED) et Génération Stochastique de la précipitation a été utilisée, qui permet de modéliser la structure spatio – temporaire de l'erreur. La méthode a été appliquée dans la région des Cévennes – Vivarais (France), où il y a un système très dense d'observation. La deuxième partie explique: Comment pourrais être quantifiée l'incertitude de la simulation hydrologique qui provient de l'estimation de précipitation par radar et du processus de modélisation hydrologique? Dans ce point, l'outil de calcul hydrologique à Mesoéchelle (HCHM) a été développé, c'est un logiciel hydrologique distribuée et temps continu, basé sur le Numéro de Courbe et l'Hydrographe Unitaire. Il a été appliqué dans 20 résolutions spatio – temporelles allant de 10 à 300 km2 et 1 à 6 heures dans les bassins de l'Ardèche (~ 1971 km2) et le Gardon (1810 km2). Apres une analyse de sensibilité, le modèle a été simplifié avec 4 paramètres et l'incertitude de la chaîne de processus a été analysée: 1) Estimation de precipitation; 2) Modélisation hydrologique; et 3) Traitement pluie – écoulement, par l'utilisation du coefficient de variation de l'écoulement simulé.
Il a été montré que KED est une méthode qui fournit l'écart type de l'estimation des précipitations, lequel peut être transformé dans une estimation stochastique de l'erreur locale. Dans la chaîne des processus: 1) L'incertitude dans l'estimation de précipitation augmente avec la réduction de l'échelle spatio – temporelle, et son effet est atténué par la modélisation hydrologique, vraisemblablement par les propriétés de stockage et de transport du bassin ; 2) L'incertitude de la modélisation hydrologique dépend de la simplification des processus hydrologiques et pas de la surface du bassin ; 3) L'incertitude dans le traitement pluie – écoulement est le résultat de la combinaison amplifiée des incertitudes de la précipitation et la modélisation hydrologique.

Abstract: La thèse fait des recherches sur des algorithmes d'inversion des signaux acoustiques acquis par des hydrophones dans la rivière. Le but principal est d'estimer la taille des sédiments transportés par l'écoulement. La méthodologie d'inversion part de la physique de la collision entre deux objets rigides, nommée aussi le contact de Hertz. La taille des particules en collision possède une signature spectrale sur les signaux mesurés par un hydrophone. Les spectres sont ainsi inversés en utilisant des méthodes algébriques au sens des moindres carrés pour estimer la courbe granulométrique des sédiments transportés. Cette méthode d'inversion originale est validée avec succès par des expériences acoustiques sur le terrain. On ouvre ainsi une porte vers le développement d'un outil opérationnel dans le contexte du monitorage du transport sédimentaire dans les rivières.

Abstract: Au XXIe siècle, la prévision de l'aléa hydrométéorologique et des impacts associés aux crues rapides demeurent un défi pour les prévisionnistes et es services de secours. Les mesures structurelles et / ou les avancées des systèmes de prévision hydrologique ne garantissent pas, à elles seules, la réduction des décès lors de ces phénomènes d'inondation rapide. La littérature souligne la nécessité d'intégrer d'autres facteurs, liés aux processus de vulnérabilité sociaux et comportementaux, afin de mieux prendre en compte les risques encourus par les populations lors de ces épisodes extrêmes. Cette dissertation conduit une analyse théorique couplés à ceux de une analyse des accidents historiques mortels afin d'expliquer les interactions qui existent entre les processus hydrométéorologiques et sociaux responsables de l'apparition de vulnérabilités humaines lors de crues rapides aux États-Unis. Des données d'enquêtes liées aux crues rapides sont examinées afin d'élaborer un système de classification des circonstances du décès (en voiture, à l'extérieur, à proximité d'un cours d'eau, dans un camping, dans un bâtiment ou en mobile-home). L'objectif est d'établir un lien entre la conception des vulnérabilités et l'estimation des pertes humaines liées à ces catastrophes naturelles. ``Random forest" est utilisé et est basé sur un arbre de décision, qui permet d'évaluer la probabilité d'occurrence de décès pour une circonstance donnée en fonction d'indicateurs spatio-temporels. Un système de prévision des décès liés à l'usage de la voiture lors des crues rapides, circonstance la plus répandue, est donc proposé en s'appuyant sur les indicateurs initialement identifiés lors de l'étude théorique. Les résultats confirment que la vulnérabilité humaine et le risque associé varient de façon dynamique et infra journalière, et en fonction de la résonance spatio-temporelle entre la dynamique sociale et la dynamique d'exposition aux dangers. Par exemple, on constate que les jeunes et les personnes d'âge moyen sont plus susceptibles de se retrouver pris au piège des crues rapides particulièrement soudaines(par exemple, une durée de près de 5 heures) pendant les horaires de travail ou de loisirs en extérieur. Les personnes âgées sont quant à elles plus susceptibles de périr à l'intérieur des bâtiments, lors d'inondations plus longues, et surtout pendant la nuit lorsque les opérations de sauvetage et / ou d'évacuation sont rendues difficiles. Ces résultats mettent en évidence l'importance d'examiner la situation d'exposition aux risques en tenant compte de la vulnérabilité dynamique, plutôt que de se concentrer sur les conceptualisations génériques et statiques. Ce concept de vulnérabilité dynamique est l'objectif de modélisation développée dans cette thèse pour des vulnérabilités liés aux véhicules. À partir de l'étude de cas sur les crues rapides survenues en mai 2015, et en analysant principalement les états du Texas et de l'Oklahoma, principaux états infectés par ces évènements,le modèle montre des résultats prometteurs en termes d'identification spatio-temporelle des circonstances dangereuses. Cependant, des seuils critiques pour la prédiction des incidents liés aux véhicules doivent être étudiés plus en profondeur en intégrant des sensibilités locales non encore résolues par le modèle. Le modèle établi peut être appliqué, à une résolution journalière ou horaire, pour chaque comté du continent américain. Nous envisageons cette approche comme une première étape afin de fournir un système de prévision des crues rapides et des risques associés sur le continent américain. Il est important que la communauté scientifique spécialisée dans l'étude des crues éclairs récoltent des données à plus haute résolution lorsque ces épisodes entrainement des risques mortels, et ce afin d'appuyer la modélisation des complexités temporelles et spatiales associées aux pertes humaines causées par les futures inondations soudaines.

Abstract: L'accès à l'eau potable en Afrique de l'Ouest constitue aujourd'hui un défi majeur pour le développement. Dans cette partie du continent constituée de pays pauvres, le manque de ressources financières est un frein à la construction de grandes infrastructures de stockage et de distribution de l'eau. Pour palier cette situation, la demande en eau de la population est alors satisfaite grâce à des systèmes simplifiés de pompage et de distribution d'eau souterraine qui sont moins coûteux. Cette dépendance accrue n'est toutefois pas sans conséquence dans un contexte géologique et pédologique dominé par des roches cristallines défavorables à l'infiltration et au stockage de l'eau souterraine et où le climat (tropical) avec un gradient de précipitations sud, nord, désavantage les régions de latitudes élevées (Sahel).
Dans des conditions aussi restrictives, assurer la disponibilité et la gestion durable des eaux souterraines, nécessite de comprendre les processus qui contribuent à son renouvellement. Certes, les questions liées à la recharge des eaux souterraines font l'objet d'études par plusieurs disciplines scientifiques (hydrologie, hydrogéologie, géophysique), mais de nombreuses questions restent sans réponse jusqu'à nos jours.
Cette étude veut contribuer à une meilleure compréhension de la diversité des processus hydrologiques en Afrique de l'Ouest à travers l'étude de deux sites sur socle cristallin, dans le Sahel (nord du Burkina) et la zone soudanienne (Nord du Bénin). Il s'agit d'évaluer l'apport des techniques géophysiques basées sur l'utilisation des mesures de résistivité électrique et électromagnétique dont la pertinence dans les études de processus d'infiltration est évoquée par plusieurs publications antérieures. Cette étude montre qu'il est possible d'observer avec la méthode de tomographie de résistivité électrique en suivi temporel (ERT “time-lapse”), la dynamique des changements de résistivité dans les couches profondes du sous-sol. De même, elle montre qu'à partir de la réalisation de cartes de résistivité par méthode électromagnétique à des moments clés de l'année, il est possible de mettre en évidence les variations latérales de résistivité. Dans les deux cas, la confrontation des résultats obtenus avec des données complémentaires telles que les humidités de sol et les niveaux de nappes montre que les variations de résistivité observées correspondent bien à des transferts d'eau dans le sol.