Thèses de doctorat soutenues au LGGE de 1967 à 2016

Abstract: The Antarctic ice sheet surface mass balance (SMB; result of the balance between accumulation and ablation terms) has a direct influence on variations in the global mean sea level. In the context of climate change, atmospheric models are nedded to is necessary to refine its current and future estimation.
Intense surface winds over the coastal slopes of East Antarctica are responsible for aerodynamic entrainment of snow at the surface, which influences significantly local accumulation. Transport of snow by the wind also produces the development of aeolian erosion features aligned parallel to the prevailing winds at the time of their formation. The spatial distribution of these features is a major determinant of surface roughness. On the other hand, surface roughness is an obstacle to flow and directly affects the surface wind field and, by extension, aeolian snow transport.
The work presented here is based on observations and numerical modeling of aeolian snow erosion in a coastal stretch of Adélie Land, East Antarctica. First, the regional atmospheric model MAR, which includes a detailed representation of aeolian transport processes, was run at a spatial resolution of 5 km over a zone including Adélie Land and model results were compared with meteorological observations made over one month in summer, including continuous measurements of the wind and horizontal aeolian snow mass flux. Aeolian fluxes modeled by the MAR were highly sensitive to parameterization of surface roughness, and a single calibration of this parameter was not enough to simulate the surface wind field at two measurement points located only 100 km apart with the same accuracy. Consequently, roughness-erosion interactions were analyzed at the scale of individual aeolian erosion events using observations. The results of this analysis underlined that (i) the barrier effect generated by roughness has an inhibiting impact on the aeolian flux and that (ii) this barrier effect can be strongly reduced by the ability of aeolian erosion features to realign with the dominant wind during a transport event. Examination of observations made over a period of one year revealed that this adjustment process is prone to temporal variations mainly linked to the temperature history. Finally, it was shown that reconfiguring the model, including introducing a temperature dependence in the parameterization of surface roughness considerably improved the representation of aeolian fluxes by the MAR model for the year concerned. These results suggest that a spatial and temporal distribution of surface roughness should be included in atmospheric models for realistic simulations of aeolian snow transport over Antarctica.

Abstract: La combustion de la biomasse est l'une des sources majoritaires de particules atmosphériques en périodes hivernales dans les vallées alpines, et particulièrement en vallée de l'Arve où des dépassements des seuils européens sont très régulièrement observés. Ceci a conduit à la mise en place d'un large programme de remplacement des dispositifs de chauffage au bois les moins performants dans le cadre d'une des actions du Plan de Protection de l'Atmosphère, le Fond Air Bois. Le projet DECOMBIO (DEconvolution de la contribution de la COMbustion de la BIOmasse aux PM10 dans la vallée de l'Arve) a ainsi été mis en place en octobre 2013 afin de mesurer l'impact de cette politique de rénovation des appareils de chauffage au bois sur la qualité de l'air. C'est dans ce programme que s'inscrivent ces travaux de thèse dont l'objectif principal est de valider les méthodologies mises en place en routine pour permettre une déconvolution rapide de la combustion de la biomasse et mettre en relation les éventuels changements observés avec les avancées des remplacements de dispositifs de chauffage au bois domestiques.
Pour mener à bien ce travail, trois sites, représentant les différentes situations de la vallée de l'Arve, ont été instrumentés (Marnaz, Passy et Chamonix) afin de suivre en continu, et tout au long du projet DECOMBIO, l'évolution des concentrations atmosphériques du Black Carbon (BC) et des traceurs moléculaires permettant de distinguer la contribution de la combustion de la biomasse des autres types de combustion. Un important jeu de données a été acquis entre novembre 2013 et octobre 2014 grâce à des prélèvements réguliers sur filtre permettant une caractérisation très fine de la composition chimique des particules atmosphériques. L'utilisation de l'approche statistique « Positive Matrix Factorization » (PMF) a permis de mieux appréhender les différentes sources entrant en jeu dans les émissions de particules au sein de cette vallée avec notamment un intérêt particulier pour les émissions de la combustion de la biomasse. Le développement de cette méthodologie d'attribution et de quantification des sources de particules basé sur l'utilisation de traceurs organiques spécifiques, de contraintes particulières appliquées à ce modèle et de données de déconvolution de la matière carbonée constitue une avancée importante dans la définition des facteurs sources issus de ce modèle.
Les méthodologies développées au cours de ce travail, permettant une amélioration des connaissances et des contributions des sources, constituent donc des outils directement utilisables par les Associations Agréées de Surveillance de la Qualité de l'Air (AASQA), notamment pour l'évaluation quantitative des mesures prises pour améliorer la qualité de l'air dans le cadre de Plans de Protection de l'Atmosphère, entre autres celui de la vallée de l'Arve.

Abstract: The water vapour converging to the polar regions condenses into heat-trapping clouds and eventually precipitates, freshening the polar oceans and thickening the ice-sheets. Modulo circulation changes, the moisture transport is expected to increase in a warmer climate. While the extra precipitation could dampen the ice sheets’ contribution to sea level rise, the surplus of moisture could also feed back on the surface warming. However, the present variability of the polar moisture budgets must be known precisely before they can be projected with confidence into the future.
This study examines the atmospheric water cycle of both the Arctic and the Antarctic in seven global reanalyses and in radiosonde observations covering the 1979-2013 period. The impacts of known model and assimilation flaws and of the various numerical approximations were evaluated and proven to be limited, at least for the moisture flux variable and the more recent reanalyses.
In the Arctic, aside from a slight overestimation, the northward fluxes in reanalyses exhibit a remarkable agreement with the radiosoundings in terms of spatial and temporal patterns. In all reanalyses, transient eddies provide the bulk of the mid-latitude moisture imports – 89-94% at 70◦N. In most datasets, evaporation, precipitation and precipitable water increase in line with what is expected from a warming signal. However fluxes do not scale with the Clausius-Clapeyron relation because the increasing specific humidity is not correlated with the meridional wind, particularly near the surface.
The representations of the Antarctic atmospheric water cycle in reanalyses suffer from the scarcity of observations : the moisture convergence estimations vary from 117 to 156 mm per year. On the coast, the mean moisture flux results from the interplay between transient eddies and katabatic winds, which are particularly sensitive to the orography. The coastal radiosonde sites report significant increases of the southward moisture fluxes but otherwise there are practically no trends in reanalyses on a continental scale.
Finally, the share of transient eddies in moisture advection is qualified using alternate methods. In particular, extratropical cyclones leave a characteristic imprint on the transport field, which can be detected and quantified.

Abstract: The next generation of climate models will include an ice-sheet model in order to improve the ice sheet mass balance projections by accounting for the ice dynamics and ice-oceans interactions. On the one hand, the Southern Ocean (SO) is indeed driving the acceleration of the Antarctic outlet glaciers via an increase in the basal melting of the ice shelves. On the other hand, the increasing ice discharge from Antarctic Ice Sheet (AIS) contributes to the current sea level rise and is likely to become the largest cryospheric contributor to sea level rise by the end of the current century. In addition, the related freshening may have significant implications on future sea-ice cover and on bottom water formation. However, it is not clear yet how the ocean and ice-sheet components of future coupled systems will account for the ice-ocean interactions, which are both causes and consequences of the AIS mass imbalance. Here in this work, different aspects of the standalone ocean and ice-sheet components have been investigated. A first step of this thesis has been focused in the representation of the glacial freshwater uxes in current ocean models. Based on recent glaciological estimates, the ice shelf basal melting fluxes have been spatially distributed in an ORCA025 grid, and the calving rates have been applied into an improved version of the NEMO-ICB iceberg model. This preliminary study has been used to produce a monthly iceberg meltwater climatology, to be used to force current ocean models. This work shows the importance of representing the iceberg meltwater fluxes when modeling sea ice, which can be inexpensively achieve by using our climatology. The improvements in the representation of the glacial freshwater fluxes have been considered in the study of the ocean model response to the Antarctic mass imbalance. This study considers a realistic perturbation in the glacial freshwater forcing as close as possible as it will be represented in future ice-sheet/ocean models. According to our results, up to 50% of the recent Antarctic sea ice volume changes might be caused by the observed decadal AIS mass imbalance rate. Glacial freshwater forcing appears to be crucial to correctly represent the ice-ocean interactions and projecting sea ice cover of future coupled systems. However, the estimation of the glacial freshwater input in future climate models will be strongly dependent upon the capacity of ice-sheet models to reproduce the grounding line migrations of marine ice sheet glaciers. Current ice-sheet models present large uncertainties related to different parametrizations. In the context of the future climate models, we have studied the sensitivity of ocean-driven grounding line retreats to the application of two different friction laws and two different englacial stress approximations. The model responses almost indistinctively to either the SSA or the SSA* englacial stress approximations. However, differences in the contribution of the glacier to the sea level rise can be up to 50% depending on the friction law considered. The more physically constrained Schoof friction law is significantly more reactive to the ocean perturbations than Weertman law and should be considered in future coupled systems. This work underlines that uncertainties related to the ice sheet model estimates of grounding line migrations may not only contribute to uncertainties in sea level projections, but also the sea ice cover through the ice-ocean interaction in future ocean models.This conclusion suggests the need for improving the representation of both the ice shelf basal melting and the glacier interaction with the bedrock, in order to improve the climate projections of future climate models, in which the spatial and seasonal distribution of the glacial freshwater fluxes may play an important role in setting the sea ice cover.

Abstract: This work focuses on the intrinsic oceanic variability spontaneously generated under seaso- nal atmospheric forcing in high-resolution oceanic simulations (1/4° and 1/12°) including mesoscale eddies (~ 100 km). The imprint of intrinsic variability on sea-level (SLA) and sea surface temperature (SST) is characterized in various spatio-temporal ranges using filtering methods. In particular, the small-scale interannual-to-decadal SLA variability observed by satellite altimetry, is stochastic and mostly intrinsic. At multi-decadal timescales, SLA intrinsic variability is comparable to the internal climate variability simulated in climate coupled models (devoid of oceanic turbulence), and may yield additional uncertainties in the detection of human-induced regional sea-level change. A spectral analysis eventually shows that non-linear advection of relative vorticity spontaneously transfers kinetic energy from high-frequency frontal waves to slower mesoscale eddies, ultimately generating low-frequency intrinsic variability. The analyses have been performed using tools developed for optimal processing of high-resolution oceanic dataset. This work generally provides evidence of the chaotic behavior of the turbulent ocean, whose interaction with the atmosphere is still poorly-known.

Abstract: Mesoscale eddies are relatively small structures that dominate the ocean variability and have large impact on large scale circulation, heat fluxes and biological processes. In the western Mediterranean Sea, a high number of eddies has been observed and studied in the past with in-situ observations. Yet, a systematic characterization of these eddies is still lacking due to the small scales involved in these processes in this region where the Rossby deformation radius that characterizes the horizontal scales of the eddies is small (10-15 km).
The objective of this thesis is to perform a characterization of mesoscale eddies in the western Mediterranean. For this purpose, we propose to de- velop tools to study the fine scales of the basin. First, we develop an eddy re- solving simulation of the region for the last 20 years. The performance of the simulation is evaluated with independent observations (drifters, satellites, hydrographic profiles) showing realistic behavior. This simulation shows that existing altimetry maps underestimate the mesoscale signal. There- fore, we attempt to improve existing satellite altimetry products to better resolve mesoscale eddies. We show that this improvement is possible but at the cost of the homogeneity of the fields; the resolution can only be improved at times and locations where altimetric observations are densely distributed.
In a second part, we apply three different eddy detection and track- ing methods to extract eddy characteristics from the outputs of the high- resolution simulation, a coarser simulation and altimetry maps. The results allow the determination of some characteristics of the detected eddies. The size of the eddies can greatly vary but is around 25-30 km. About 30 eddies are detected per day in the region with a very heterogeneous spatial distri- bution. Unlike other areas of the open ocean, they are mainly advected by currents of the region. Eddies can be separated according to their lifespan. Long-lived eddies are larger in amplitude and scale and have a seasonal cycle with a peak in late summer, while short-lived eddies are smaller and more present in winter. The penetration depth of detected eddies has also a large variance but the mean depth is around 300 meters. Anticyclones extend deeper in the water column and have a more conic shape than cyclones.

Abstract: La glace polaire est sans nul doute la meilleure archive dont nous disposons en terme de paléo volcanisme. Les reconstructions du volcanisme passé se basant sur l'analyse des carottes de glace sont nombreuses. Elles alimentent notamment les modèles de forçage climatique, dans le but d'estimer l'effet refroidissant du volcanisme, dû aux interactions entre aérosols d'acide sulfuriques d'origine volcanique, et le rayonnement solaire incident. Dans ce type de reconstruction, l'un des paramètres-clés pour déterminer l'impact potentiel d'une éruption, est l'identification de son signal sur les deux calottes polaires (signal bipolaire). Cette large répartition spatiale traduit en effet un temps de résidence significatif dans la stratosphère, et donc, un impact climatique important. Les carottes de glace offrent pourtant une alternative intéressante à cette méthode : l'analyse du soufre des sulfates volcaniques révèle la présence d'anomalies isotopiques dans les aérosols d'origine stratosphérique, permettant la discrimination entre éruptions de faible impact (troposphériques) et éruptions de fort impact (stratosphériques). L'étude de la signature isotopique atypique des aérosols stratosphériques permet en parallèle de contraindre les mécanismes photochimiques à l'origine de cette anomalie, qui ne sont que partiellement identifiés à ce jour. En 2010-2011, 5 carottes de névé de 100m de long ont été collectées à Dôme C, Antarctique, dans le but de reconstruire une histoire du volcanisme stratosphérique des 2500 dernières années, par la méthode isotopique. Le forage de 5 carottes identiques, à 1 m les unes des autres, nous a permis d'étudier différents aspects de la reconstruction.Premièrement, nous avons pu évaluer la variabilité du dépôt de sulfate à l'échelle locale, et donc, la représentativité statistique d'une seule carotte vis à vis d'une reconstruction volcanique. L'analyse des concentrations de sulfate révèle qu'une importante variabilité locale, associée principalement au déplacement de la neige par le vent, pouvait entraîner un enregistrement non exhaustif des évènements volcaniques (en moyenne 30% d'évènements manquants, par carotte) et une variabilité conséquente du flux archivé (jusqu'à 60%).En second lieu, le niveau de détail de nos analyses (résolution temporelle de chaque éruption) nous a permis de décrire plus précisément la signature des processus indépendants de la masse à l'oeuvre dans la stratosphère. Les résultats obtenus ne permettent pas de clore le débat concernant le mécanisme photochimique à l'origine de l'anomalie, mais ils contraignent la signature stratosphérique de façon robuste, notamment en définissant les tendances isotopiques. Les implications de ces contraintes sur la chimie atmosphérique actuelle sont discutées à travers l'utilisation d'un modèle simple ; nous évaluons les paramètres requis, en particulier les proportions des différentes voies d'oxydation stratosphériques (dépendantes et indépendantes de la masse), pour reproduire nos résultats.Enfin, l'analyse systématique de la composition isotopique des évènements volcaniques nous a permis d'établir un historique du volcanisme stratosphérique enregistré à Dôme C au cours des 2600 dernières années. Nos résultats confirment majoritairement l'origine tropicale (stratosphérique) des évènements identifiés comme tels dans la littérature, et suggèrent le caractère stratosphérique (unipolaire) de quelques éruptions de haute latitude. Les résultats ne remettent pas en question la synchronisation des enregistrements bipolaires récemment établis, et valident l'utilisation de la méthode isotopique pour l'identification des éruptions stratosphériques dans un enregistrement glaciaire.

Abstract: Strong western boundary currents are a dominant feature of the worlds oceans, also
at low latitudes. They are called the North Brazil Current in the Atlantic and the Somali Current in the Indian Ocean. They exhibit a turbulent dynamics and their region is a source of strong kinetic energy production and internal variability of the worlds oceans.
Several places exists where the western boundary currents retroact (i.e separation from the coast) and generate coherent structures as anticyclonic eddies and dipoles. The dynamics of oceanic western boundary currents has so far not been extensively study in the viewpoint of turbulent boundary-layer theory. The approach is to use a fine resolution reduced-gravity shallow water model to understand the turbulent boundary layer processes and then apply these results to the Ocean General Circulation Model NEMO in the Drakkar configuration. The case of the Somali Current is considered for this application.
The first part of this doctoral thesis is directed towards the study of the turbulentboundary-layer through the determination of the turbulent structures, fluxes, balances of low latitudes turbulent western boundary currents.
The dynamics of low latitude turbulent western boundary currents, subject to two
different types of idealized wind forcing, Monsoon Winds and Trade Winds, is considered using numerical results from integrations of a dedicated ne resolution (2.5km) reduced gravity shallow-water model. For viscosity values of 1000m2
s􀀀1and above, the boundary-layer dynamics compares well to the analytical solutions of the Munk-layer and the inertial-layer, derived from quasi-geostrophic theory. Modications due to variations in the layer thickness (vortex stretching) are only important a few kilometers from the boundary. When the viscosity is reduced the boundary-layer becomes turbulent and coherent structures in form of anticyclonic eddies, bursts (violent detachments of the viscous sub-layer) and dipoles appear. Three distinct boundary-layers emerge, the viscous sub-layer, the advective boundary-layer and the extended boundary-layer. The first is characterized by a dominant vorticity balance between the viscous transport and the advective transport of vorticity. The second by a balance between the advection of planetary vorticity and the advective transport of relative vorticity. The extended boundary-layer is the area to which turbulent motion from the boundary extends. The scaling of the three boundary-layer thicknesses with viscosity is evaluated. This scaling is used to revisit the validity of the laminar Munk-layer theory for the high Reynolds number turbulent western boundary currents. It is shown that small westward velocities have a stabilizing eect (inertial ffect) on the boundary current and alter the vorticity balance near the boundary. This inertial effect must be taken into account in the parameterization of the small scale turbulence of turbulent western boundary currents.
The consequences for the grid resolution, renement and the complexity of the numerical modelling western boundary currents are discussed.
A pragmatic approach to determine the eddy viscosity for coarse resolution numerical models base on the Munk formula, the scale of the anticyclones and Prandtl's formula is proposed.
The second part of this thesis transposes the ndings of the reduced-gravity shallow water model to the Ocean General Circulation Model NEMO in the Drakkar configurations. The case of the Somali Current is considered which reverses due to the Monsoon Winds. The Indian Ocean closed in the north at at around 25oN. Ten years of model data for three configurations ORCA025.L75-MJM95 (1/4o), ORCA12.L46-MAL84/MAL95 (1/12o) with different wind stress forcings and different boundary conditions are used. Qualitative validation of the Arabian upper-layer circulation of the three configurations is done which confirms the feedback dynamics of the previous southwest monsoon on the next southwest monsoon circulation put forward in recent studies [see e:g: Beal & Donohue (2013); Beal et al. (2013); McCreary et al. (1993)]. The initiation of northward flow precursor of the first Great Whirl in March/April at 6oN is a consequence of the arrival of the annual Rossby wave at the Somali Coast, one or two months before the southwest Monsoon starts.
An upgraded schematic diagram of the Somali Current upper-layer flow patterns over
the course of the year is proposed. The formation process of the Somali eddies is entangled. The feature only known as coalescence of the Southern Gyre and the Great Whirl based on the coalescence of the two cold wedges, most frequently appears to be an elastic collision between the two eddies in which the GW becomes the Socotra Eddy. This elucidates the formation process of the Socotra Eddy, which seems to be nothing else than the relocation of the Great Whirl after the elastic collision between the Great Whirl and the Southern Gyre at the end of July or at the beginning of August. The influence of the numerical resolution and the bi-harmonic viscosity coeffcient on the coherent structures and the scale of motion are discussed.

Abstract: Un enjeu majeur des modèles océaniques est de représenter fidèlement les circulations méso- et subméso-échelles afin de simuler leur importante contribution dans la circulation générale et dans le budget énergétique de l'océan. La poursuite de cet objectif se traduit par une augmentation de la résolution spatiale et temporelle à la fois des modèles et des réseaux d'observation de l'océan. Cependant, à ces petites échelles, la dynamique de l'écoulement revêt un caractère fortement turbulent ou non-linéaire. Dans ce contexte, les méthodes actuelles d'assimilation de données (AD), variationnelles en particulier, sont généralement moins performantes que dans un contexte (quasi-) linéaire. L'objectif de cette thèse est d'explorer sous divers aspects le comportement des méthodes variationnelles d'AD dans un modèle d'océan non-linéaire. Pour ce faire, nous avons réalisé une série d'expériences dites jumelles en assimilant des données altimétriques simulées suivant les caractéristiques des satellites altimétriques Jason-1 et SARAL/AltiKA . À l'aide de ces expériences, nous analysons sous différents angles les problématiques posées par les non-linéarités à l'AD. Enfin, nous ouvrons plusieurs pistes d'amélioration de l'efficacité du système d'AD dans ce contexte. Ce travail est basé sur le logiciel de modélisation océanique NEMO, incluant la configuration de bassin océanique turbulent idéalisé SEABASS, à différentes résolutions spatiales. Dans la continuité de la plateforme de recherche en AD avec NEMO, NEMO-ASSIM, nous avons utilisé et contribué au développement de cet ensemble d'outil, comprenant, entre autre, opérateur d'observation, modèles linéaire tangent et adjoint de NEMO, permettant de mener à bien notre étude. Le système d'AD variationnelle utilisé est le logiciel NEMOVAR. Les résultats présentés tentent de lier les échelles caractéristiques des structures d'erreurs d'analyse et l'activité aux petites échelles. Pour ce faire, nous avons utilisé une large gamme de diagnostics, e.g. erreur quadratique moyenne spatiale et temporelle, caractéristiques des fonctions coûts, caractérisation de l'hypothèse linéaire tangente, PSD des champs d'erreurs d'analyse. Nos expériences montrent que le 4DVAR incrémental contrôle efficacement la trajectoire analysée au 1/4° pour de longues fenêtres d'AD (2 mois). Lorsque la résolution augmente, la convergence de l'algorithme apparaît plus lente voire inexistante sous certaines conditions. Cependant, l'algorithme permet encore de réduire convenablement l'erreur d'analyse. Enfin, l'algorithme 3DFGAT se révèle beaucoup moins performant, quelle que soit la résolution. De plus, nous montrons également l'importance de l'adéquation entre la circulation simulée et l'échantillonnage altimétrique, en terme d'échelles spatiales représentées, pour obtenir de meilleures performances. Enfin, nous avons exploré la stratégie de minimisation dite progressive, permettant d'accélérer la convergence du 4DVAR à haute résolution.

Abstract: La contribution des calottes polaires à l’augmentation du niveau marin est un sujet de préoccupation majeure. Dans le cadre du réchauffement climatique, la dynamique de leurs glaciers émissaires évolue et ceux-ci accélèrent leur décharge de glace vers l’océan. En tant qu’exutoires des calottes polaires et régulateurs de leur perte de masse, la prise en compte de leur fonctionnement dans les prévisions d’augmentation du niveau marin est capitale. Cependant, les processus qui régissent leur dynamique sont mal contraints et il convient alors de réduire les incertitudes qui y sont liées. Les rétroactions entre la dynamique du front et la dynamique du glacier en sont un exemple représentatif. Dans ce cadre, cette thèse se concentre sur la modélisation de la dynamique du front de vêlage, et vise à proposer une nouvelle approche physique des mécanismes aboutissant au vêlage d’iceberg. Le travail réalisé ici couple la mécanique de l’endommagement et la mécanique de la rupture. Il intègre ainsi la dégradation progressive des propriétés rhéologiques de la glace aboutissant à la formation d’un champ de crevasses et modélise ensuite la propagation des fractures caractéristiques de l’évènement de vêlage. Ce modèle nouvellement créé est contraint sur une géométrie 2D en ligne d’écoulement du glacier Helheim, au Groenland, dont on parvient à reproduire un comportement cohérent de la partie terminale. Les tests de sensibilité menés sur chacun des paramètres introduits dans le modèle contraignent l’importance de chacun d’eux.
On évalue ensuite l’impact sur la dynamique du front de deux forçages naturels couramment observés dans les fjords groenlandais : la fonte de la partie immergée du front et l’impact mécanique d’un mélange de glace (mélange de glace de mer et d’icebergs). Les résultats suggèrent que si la fonte affecte légèrement la dynamique du front, le mélange de glace provoque une réponse saisonnière d’une amplitude similaire aux variations observées dans la réalité. En frottant contre les parois du fjord, il empêche le vêlage et favorise l’avancée du glacier. On montre également que la fonte ne modifie pas le bilan de masse du glacier, mais que l’effet du mélange de glace est plus marqué. Enfin, nos résultats suggèrent que lorsque le glacier présente une extension flottante, un forçage élevé peut modifier l’équilibre du glacier et affecter plus considérablement son bilan de masse pluriannuel.

Abstract: Au cours du XXIème siècle, une augmentation des précipitations est attendue dans les régions polaires. En Antarctique, cette augmentation devrait se traduire par une accumulation de neige sur le continent, contribuant ainsi positivement au bilan de masse de la calotte polaire, et par conséquent négativement au niveau des mers. Les modèles utilisés pour simuler le climat du XXIème siècle prédisent presque tous une augmentation des précipitations en Antarctique, mais l’importance de ce changement diffère fortement d’un modèle à l’autre. De plus, les taux de précipitation actuels reproduits par ces mêmes modèles divergent également beaucoup. Cependant, faute d’observation fiable de précipitation en Antarctique, il était jusqu’à présent difficile de vérifier la capacité des modèles à simuler ces dernières.
Dans cette étude, les données issues du radar météorologique embarqué à bord du satellite CloudSat ont été utilisées afin de produire la première climatologie de précipitation en Antarctique à partir d’observations. Cette climatologie couvre la période août 2006 – avril 2011, et a montré de très bons accords avec les réanalyses ERA Interim qui n’utilisent pas d’observations issues de CloudSat. Le taux de chute de neige obtenu avec CloudSat sur le continent Antarctique jusqu’à 82°S est en moyenne de 171 mm/an. L’automne austral est la saison avec les chutes de neige les plus importantes, et le printemps austral, la saison avec les chutes de neige les plus faibles.
Par ailleurs, une expérience de mesure in-situ des précipitations a été développée sur la base de Dumont d’Urville en Antarctique, des observations in-situ étant nécessaires à la validation des algorithmes de télédétection. Un système de profilage utilisant des capteurs optiques a été installé sur un mât de 73 m afin d’identifier les chutes de neige et les évènements de transport de neige par le vent. Les flux de neige mesurés à différentes hauteurs devraient être similaires lors de chute de neige sans transport de neige, alors qu’un gradient devrait apparaître si de la neige est transportée depuis la surface. Le système a été évalué et comparé aux analyses opérationnelles d’ECMWF.
Enfin, les simulations des modèles de climat utilisés pour la production du rapport du GIEC ont été comparées aux observations satellites obtenues. Tous les modèles simulent un taux de chute de neige supérieur à celui observé avec CloudSat. Le changement de précipitation en Antarctique durant le XXIème siècle simulé varie de -6.0 % à +39.4 % en fonction des modèles et des scénarios d’émission de gaz à effet de serre. Les modèles de climat simulant des taux de chute de neige proches de ceux observés par satellite pour la période actuelle prédisent en moyenne un changement plus important de précipitation au cours du XXIème siècle, et donc un impact sur le niveau des mers plus conséquent.

Abstract: Les glaciers des régions sub-polaires entre 45 et 60°S ont reculé dramatiquement au cours du dernier siècle. L’archipel des Kerguelen (49° S, 69° E) constitue un site unique dans ces régions où peu d’observations sont disponibles pour comprendre le recul glaciaire. Situés à faible altitude et proches de l’océan, ses glaciers ont montré une sensibilité particulière aux variations atmosphériques et océaniques. Ainsi, depuis les années 60, la calotte Cook (env. 400 km2) a reculé de manière spectaculaire, perdant 20% de sa surface en 40 ans. L’objectif de mon travail de thèse était d’évaluer l’état actuel et futur de la calotte, et de comprendre les causes de ce recul tout en les replaçant dans un contexte global.
Pour ce faire, un réseau météorologique et glaciologique a été mis en place en 2010 sur l’archipel et des campagnes de mesures ont depuis été réalisées annuellement. L’analyse de ces mesures nous permet de confirmer le bilan de masse négatif de la calotte. Parallèlement, l’étude de l’albédo de l’ensemble de la calotte Cook à partir d’images satellites MODIS (MODerate resolution Imaging Spectroradiometer) permet d’évaluer l’évolution de la ligne de neige de la calotte depuis 2000, mettant en évidence une réduction importante de sa zone d’accumulation au cours des dix dernières années. La modélisation du bilan de masse de la calotte Cook à l’aide d’un modèle degré-jour couplé à une routine dynamique révèle par ailleurs que son retrait est principalement dû à une forte diminution des précipitations sur l’archipel depuis les années 60.
Afin de replacer le recul des glaciers aux îles Kerguelen dans un contexte global, les tendances climatiques sur l’ensemble des zones subpolaires sont étudiées, faisant apparaître que la zone sub-Antarctique est actuellement celle où les retraits sont les plus forts à l’échelle du globe. Pour comprendre ces variations, nous analysons un ensemble complet de jeux d’observations de terrain, de satellites et de résultats de modélisation : réanalyses, modèles de l’exercice CMIP5 (Coupled Model Intercomparison Project phase 5), observations de température atmosphérique et océanique, précipitations, etc. Ceux-ci révèlent un réchauffement et un assèchement quasi-généralisé de l’ensemble de la zone 40-60° S, lié à un déplacement vers le sud des zones dépressionnaires en réponse aux phases de plus en plus fréquemment positives du mode annulaire
austral (Southern Annular Mode, SAM). Le recul récent des glaciers des îles Kerguelen, mais également d’autres zones glaciaires des régions subpolaires de l’hémisphère sud, est donc principalement lié à un déficit d’accumulation causé par le SAM, et amplifié par le réchauffement atmosphérique.
L’évolution future du bilan de masse de la calotte Cook aux îles Kerguelen est évaluée grâce au Modèle Atmosphérique Régional (MAR), forcé à ses frontières par les modèles de l’exercice CMIP5. Des simulations du bilan de masse récent sont d’abord effectuées sur base des réanalyses ERA-Interim et NCEP1, et comparées aux observations in situ. Parallèlement, des simulations d’un an sont réalisées avec le désagrégateur de précipitations SMHiL (Surface Mass balance High resolution downscaLing) en sortie du MAR, à différentes échelles, afin d’évaluer l’impact du changement d’échelle sur la représentation des précipitations. Une évaluation des modèles CMIP5 par rapport à ERA-Interim sur la période récente est ensuite réalisée sur base de certaines variables climatiques-clé. Le modèle le plus proche d’ERA-Interim sur la période récente, et les deux modèles les plus extrêmes sont ensuite utilisés pour forcer le MAR sur le prochain siècle, et les sorties de bilan de masse de surface sont analysées de manière critique.
L’analyse du retrait de la calotte des îles Kerguelen à l’aide de différents outils a permis de mieux comprendre le lien entre glaciers et climat, mettant en évidence le rôle majeur du SAM, mais a également soulevé de nouvelles questions.

Abstract: La neige est un matériau poreux dont la microstructure change en permanence.
L'ensemble de ces transformations, qui prend le nom de “métamorphisme”, est
susceptible d'affecter les propriétés thermiques, mécaniques et
électromagnétiques de la neige au niveau macroscopique. En particulier, les
échanges d'énergie et de matière à l'intérieur du manteau neigeux et entre la
neige et l'atmosphère sont fortement influencés par l'évolution au cours du temps
de la microstructure de la neige. Une représentation adéquate du
métamorphisme dans les modèles de manteau neigeux s'avère donc cruciale.
La microstructure d'un matériau poreux peut être raisonnablement décrite en se
servant d'un nombre réduit de variables. En effet, la masse volumique, la surface
spécifique (SSA) et la distribution de courbure permettent de caractériser la
microstructure d'un matériau. Cependant, dans le cas de la neige cette approche
n'en est qu'à ses débuts et n'a pas encore été appliquée de façon systématique.
Des variables semi-empiriques, difficiles à mesurer et dépourvues de lien direct
avec d'autres propriétés physiques, sont encore largement utilisées dans les
modèles détaillés de manteau neigeux.
Ce travail de thèse s'inscrit dans cette tentative de représenter la microstructure
de la neige au cours du temps à l'aide de variables bien définies et mesurables
sur le terrain. Parmi ces variables, nous nous sommes attachés notamment à la
SSA, qui constitue une grandeur essentielle pour l'étude du manteau neigeux et
de son évolution temporelle. Différentes lois d'évolution de la SSA ont été
étudiées, à partir de relations empiriques basées sur des ajustements de données
expérimentales jusqu'aux modèles physiques qui représentent le flux de la
vapeur d'eau entre les grains de neige. Ces lois ont été dans un premier temps
testées à l'aide d'un modèle simplifié de manteau neigeux et puis introduites
directement dans le modèle SURFEX/ISBA-Crocus. Pour ce faire, la SSA dans
Crocus a été transformée en variable prognostique, en remplaçant d'autres
variables semi-empiriques préexistantes. Les différentes formulations de
l'évolution temporelle de la SSA ont été comparées à des mesures de terrain,
acquises lors de deux campagnes à Summit (Groenland) et au Col de Porte
(France). Ces mesures ont été effectuées en utilisant de nouvelles techniques
optiques et ont permis d'obtenir un riche jeu de données avec une grande
résolution verticale. Les résultats montrent que les différentes formulations sont
comparables et reproduisent bien les mesures, avec un écart quadratique moyen
entre les valeurs de SSA simulées et observées inférieur à 10 m2 kg-1.
Nous avons également contribué à faire le pont entre la microstructure de la
neige et ses propriétés macroscopiques. En particulier, nous nous sommes
intéressés au lien entre la SSA et les propriétés optiques. L'albédo de surface à
Summit a été simulé à partir des profils mesurés de masse volumique et de SSA
et du contenu en impuretés. Les résultats de cette étude ont démontré que
l'albédo spectral peut être correctement simulé à l'aide d'un modèle de transfert
radiatif et l'énergie absorbée par le manteau neigeux peut être estimée avec une
précision d'environ 1%.

Abstract: La région de l'archipel canadien, située en Arctique, connaît actuellement d'importants
changements climatiques, se traduisant notamment par une augmentation des températures, une
réduction de l'étendue de la banquise marine et du couvert nival terrestre ou encore une perte de
masse significative des calottes glaciaires disséminées sur les îles de l'archipel. Parmi ces calottes
glaciaires, la calotte Barnes, située en Terre de Baffin, ne fait pas exception comme le montrent les
observations satellitaires qui témoignent d'une importante perte de masse ainsi que d'une régression
de ses marges, sur les dernières décennies.
Bien que les calottes glaciaires de l'archipel canadien ne représentent que quelques dizaines
de centimètres d'élévation potentielle du niveau des mers, leur perte de masse est une composante
non négligeable de l'augmentation actuelle du niveau des mers. Les projections climatiques laissent
à penser que cette contribution pourrait rester significative dans les décennies à venir. Cependant,
afin d'estimer les évolutions futures de ces calottes glaciaires et leur impact sur le climat ou le
niveau des mers, ils est nécessaire de caractériser les processus physiques tels que les modifications
du bilan de masse de surface. Cette connaissance est actuellement très limitée du fait notamment du
sous-échantillonnage des régions arctiques en terme de stations météorologiques permanentes.
Une autre particularité de certaines calottes de l'archipel canadien, et de la calotte Barnes en
particulier, est de présenter un processus d'accumulation de type glace surimposée, ce phénomène
étant à prendre en compte dans l'étude des processus de surface.
Pour palier au manque de données, l'approche retenue a été d'utiliser des données de
télédétection, qui offrent l'avantage d'une couverture spatiale globale ainsi qu'une bonne répétitivité
temporelle. En particulier les données acquises dans le domaine des micro-ondes passives est d'un
grand intérêt pour l'étude de surfaces enneigées. En complément de ces données, la modélisation du
manteau neigeux, tant d'un point de vue des processus physiques que de l'émission
électromagnétique permet d'avoir accès à une compréhension fine des processus de surface tels que
l'accumulation de la neige, la fonte, les transferts d'énergie et de matière à la surface, etc. Ces
différents termes sont regroupés sous la notion de bilan de masse de surface. L'ensemble du travail
présenté dans ce manuscrit a donc consisté à développer des outils permettant d'améliorer la
connaissance des processus de surface des calottes glaciaires du type de celles que l'on rencontre
dans l'archipel canadien, l'ensemble du développement méthodologique ayant été réalisé sur la
calotte Barnes à l'aide du schéma de surface SURFEX-CROCUS pour la modélisation physique et
du modèle DMRT-ML pour la partie électromagnétique.
Les résultats ont tout d'abord permis de mettre en évidence une augmentation significative
de la durée de fonte de surface sur la calotte Barnes (augmentation de plus de 30% sur la période
1979-2010), mais aussi sur la calotte Penny, elle aussi située en Terre de Baffin et qui présente la
même tendance (augmentation de l'ordre de 50% sur la même période).
Ensuite, l'application d'une chaîne de modélisation physique contrainte par diverses données
de télédétection a permis de modéliser de manière réaliste le bilan de masse de surface de la
dernière décennie, qui est de +6,8 cm/an en moyenne sur la zone sommitale de la calotte, qui est
une zone d'accumulation. Enfin, des tests de sensibilité climatique sur ce bilan de masse ont permis
de mettre en évidence un seuil à partir duquel cette calotte voit disparaître sa zone d'accumulation.
Les modélisations effectuées suggèrent que ce seuil a de fortes chances d'être atteint très
prochainement, pour une augmentation de température moyenne inférieure à 1°C, ce qui aurait pour
conséquence une accélération de la perte de masse de la calotte.

Abstract: La température au sein des glaciers varie en fonction des variations climatiques. Dans un contexte de réchauffement climatique, ces variations peuvent être importantes et avoir des conséquences sur l'apparition de nouveaux aléas glaciaires.
Les travaux présentés dans cette thèse se focalisent sur la modélisation numérique de la réponse thermique des glaciers froids aux variations climatiques. La prise en compte du forçage climatique par la modification des conditions de surface des glaciers est l'un des points clefs de cette étude. On montre l'importance des processus de fusion/regel en zone d'accumulation froide ainsi que de l'épaisseur de la couverture de neige et névé autour de la ligne d'équilibre. Les modèles développés dans cette thèse s'appliquent à des cas concrets sur trois glaciers du massif du Mont Blanc (Alpes françaises). Ces études permettent d'analyser des situations à risque et de reconstituer le climat passé à haute altitude. Le jeu de données très complet acquis sur le site du Col du Dôme (4250 m) comprend des mesures profondes de températures et de densités ainsi que des mesures d'accumulation et de vitesses de surface. Il a permis de valider et développer un modèle à trois dimensions de régime thermique couplé à un modèle d'écoulement et forcé par des données climatiques. Ce modèle permet d'étudier en détail la réponse thermique des zones d'accumulation froides aux changements climatiques. Il peut aussi être utilisé pour la prédiction du réchauffement futur des glaciers suspendus présentant un risque comme le glacier de Taconnaz dont une analyse préliminaire est effectuée ici. Le réchauffement basal jusqu'au point de fusion pourrait conduire à la déstabilisation de ce type de glacier.
Le site du glacier de Tête Rousse ( environ 3200 m) a permis d'établir clairement l'influence de la couverture de neige et de névé sur le régime thermique des glaciers autour de la ligne d'équilibre. Les résultats obtenus à partir du couplage d'un modèle de neige (CROCUS) avec un modèle de régime thermique sont en excellent accord avec les observations de températures réalisées dans le glacier. On explique ainsi les causes de la structure thermique particulière du glacier de Tête Rousse responsable de la formation d'une poche présentant un risque pour la commune à l'aval. Dans le futur, les simulations indiquent que le glacier va continuer de se refroidir, limitant ainsi le risque de formation de poche d'eau.
Enfin, nous avons développé une nouvelle méthode inverse pour reconstituer les températures du passé à partir de profils de températures observées dans la glace. Elle est basée sur l'inversion simultanée de plusieurs profils de températures provenant de différents sites de forage ayant subi le même forçage climatique. La méthode permet de s'affranchir de l'impact des processus de fonte/regel en surface pour reconstruire les variations passées des températures de l'air. Les résultats obtenus sur le Col du Dôme montrent que le réchauffement climatique sur le site à 4250 m est similaire à celui observé à basse altitude. Ces résultats tendent à montrer que le réchauffement climatique n'est pas amplifié avec l'altitude.

Abstract: Le manteau neigeux polaire est le siège d’une chimie complexe de transformation du mercure
correspondant à la fois à une production interne et une incorporation de mercure élémentaire
gazeux : le manteau neigeux est à la fois une source et un puits de mercure. Le mercure présent dans
la neige sous forme de Hg(II) peut être associé à la matière organique et être ainsi stabilisé
chimiquement et photochimiquement et entrainé vers les écosystèmes à la fonte. Il est également
transformable en une espèce organo-métallique, le méthylmercure dont les mécanismes biotiques
ou abiotiques de formation sont inconnus.
L’objectif de cette thèse est d’une part de comprendre l’impact de cette matière organique sur le
temps de vie du mercure divalent dans les réservoirs environnementaux (notamment la neige) et
d’autre part de travailler sur les voies de formation d’espèces mercurielles à fort potentiel de toxicité
comme le méthylmercure. Nous voulons ainsi progresser dans l’étude des processus reliant dépôts
atmosphériques et contamination de chaînes alimentaires.

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

Abstract: Il est aujourd'hui avéré que la composition chimique de l'atmosphère des régions enneigées, et notamment des régions polaires, est sensiblement affectée par les échanges d'espèces chimiques réactives entre l'air et la neige. En effet, le manteau neigeux constitue un véritable réacteur
photochimique multiphasique, mais les mécanismes physico-chimiques à l'œuvre en son sein sont encore mal connus. Une meilleure compréhension des processus s'y déroulant est indispensable pour modéliser correctement la composition et la réactivité de l'atmosphère au-dessus des régions enneigées. De plus, la reconstitution de l'évolution post-dépôt des composés chimiques stables de la neige est également un préalable indispensable pour permettre l'interprétation paléoclimatique de leurs profils de concentration enregistrés dans les carottes de glace. Le nitrate (NO3-) présent dans la neige joue un rôle fondamental, car sa photolyse induit notamment l'émission d'oxydes d'azote (NOx= NO + NO2) par le manteau neigeux, qui modifient en retour la capacité oxydante de l'atmosphère. Ce travail de thèse s'est attaché à l'étude des processus physico-chimiques intervenants dans l'évolution de la concentration du nitrate dans la neige. Une première approche, prolongeant des études préexistantes, a visé à identifier un mécanisme réactionnel pour la photochimie du nitrate dans la neige, en postulant notamment l'existence d'une couche quasi-liquide à la surface des grains de neige. Néanmoins, les propriétés exactes de l'interface air – glace sont, à l'heure actuelle, encore mal caractérisées, et il est apparu que cette démarche présentait de trop larges incertitudes pour être poursuivie. Dans une seconde approche, l'ensemble des processus d'échange physico-chimiques du nitrate entre l'air et la neige ont été étudiés et modélisés : adsorption à la surface, diffusion en phase solide et co-condensation. Ces travaux révèlent l'importance de ces processus d'échange pour expliquer la composition en nitrate de la neige de surface, dans le cas de Dome C, et posent les bases des mécanismes à prendre en compte pour la modélisation de la chimie de la neige.

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

Abstract: La calotte polaire du Groenland retient dans ses glaces une contribution potentielle au niveau des mers de 7,3 mètres. Alors que des changements importants sont observés à l'heure actuelle, tant au niveau du bilan de masse de surface que dans la dynamique des zones à écoulement rapide, réaliser des projections sur son état futur à l'échelle pluri-centennal est devenu une priorité. La modélisation numérique 3D est l'un des outils pour effectuer ces projections. Le modèle utilisé au cours de ce travail est un modèle hybride qui permet de modéliser les zones à
écoulement rapide. Un travail particulier a été mené afin d'améliorer la représentation de ces zones dans le modèle. Ce travail incorpore largement l'utilisation des données issues des carottages profonds du Groenland, qui rassemblent une grande part d'information sur les états passés de la
calotte. Pour cela, un module de suivi de traceurs a été ré-implémenté. Ainsi, l'accent est ici mis sur les validités des reconstructions, en effectuant constamment des aller-retour entre observations et simulations. La robustesse de ces reconstructions et des projections futures est largement questionnée au travers de nombreuses expériences de sensibilité. La calibration du modèle de glace
en utilisant des contraintes sur les informations de la dernière déglaciation permet de proposer des scénarios sur l'état de la calotte au cours du précédent interglaciaire, l'Eémien, potentiel analogue pour le climat futur.

Abstract: The thesis describes the different steps which lead during the 1980's to the development of an original numerical snow model. This model aimed at simulating the evolution of a seasonal snow cover as a function of the prevailing meteorological conditions. A first part describes the methods and algorithms used to compute the energy and mass exchange at the snow/atmosphere interface and inside the snowpack. The second part describes the experimental study which made possible the quantification of the metamorphism rate of snow samples submitted to weak temperature gradient and to liquid water content, in order to complete pre-existing knowledge on metamorphism. A third part describes the implementation of a set of metamorphism laws into the preliminary version of the snow model, which lead to the availability of the first numerical model able to simulate seasonal snowpack layering. The evaluation of the model at Col de Porte is presented. The last part introduces three applications of this model: real time monitoring of snowpack characteristics in the French Alps, assessment of the impact of climate change on snow climatology and simulation of the snowpack in a distributed hydrological model.

Abstract: L'ion nitrate (NO3-) présent dans les neiges Antarctiques est issus de l'oxydation des oxydes d'azote (NOx = NO + NO2) dans l'atmosphère. Aux sites de faible accumulation de neige tels que Vostok et Dôme C sur le plateau de l'Est de l'Antarctique, le nitrate n'est pas piégé de manière ultime dans la neige, ce qui limite fortement l'interprétation des enregistrements en nitrate dans les carottes de glace. Des mesures récentes de la composition isotopique en azote du nitrate (d15N) montrent des valeurs extrêmement élevées (+339‰) dans les premiers décimètres de la neige de Dôme C. Ces valeurs ont été attribuées à la photolyse du nitrate et au recyclage important qui en résulte. Le nitrate possède, par ailleurs, une anomalie isotopique en oxygène (d17O) qui permet de tracer l'activité de l'ozone (O3) au cours de sa formation. Ce travail de thèse présente le premier enregistrement de la composition isotopique complète du nitrate (d15N, d17O et d18O) dans une carotte de glace : la carotte de glace de Vostok dont les 64 échantillons analysés couvrent une période de 150 000 ans. Ce jeu de données a été complété par 313 échantillons collectés entre 2007 et 2010 dans le continuum atmosphère/givre/neige au Dôme C ainsi que dans 21 puits de neige prélevés dans une zone couvrant l'essentiel de l'Est de l'Antarctique. L'analyse isotopique de ces échantillons modernes a permis de contraindre le modèle conceptuel TRANSITS développé au cours de cette thèse et dont le but est de représenter le recyclage du nitrate à l'interface entre l'atmosphère et la neige ainsi que son impact sur la composition isotopique du nitrate archivé. Les valeurs positives et élevées du δ15N du nitrate piégé dans la carotte de glace de Vostok montrent que le recyclage du nitrate a toujours eu lieu sur le plateau Antarctique au cours de la période étudiée. Les variations du flux primaire de nitrate reçu au site de Vostok estimées à l'aide du modèle TRANSITS montrent, en périodes glaciaires, un flux primaire plus important qui pourrait être lié à une dénitrification stratosphérique plus conséquente. Les valeurs de d17O du nitrate montrent que l'incursion d'ozone d'origine stratosphérique dans la troposphère était plus fréquente en périodes glaciaires. Nous proposons enfin que les résultats acquis dans le cadre de cette thèse pourraient permettre de mieux contraindre le cycle de l'azote sur la côte Antarctique et d'apporter des éléments d'interprétation des enregistrements en nitrate dans les carottes de glace de sites de plus forte accumulation de neige (au Groenland par exemple).

Abstract: Au cours des dernières décennies, l'étude des paléoenvironnements de l'Hemisphere Sud s'est développée avec les informations fournies par l'analyse des carottes de glace polaires et plus récemment à partir des carottes de glace prélevées dans les Andes. Bien que les zones tropicales et subtropicales de l'Amérique du Sud jouent un rôle majeur dans la chimie atmosphérique globale en raison de l'existence de réservoirs importants, les échanges entre l'équateur et les hautes latitudes sud restent encore peu documentés. Même si d'autres archives apportent des informations sur le climat passé, il existe peu de données de la composition atmosphérique des moyennes latitudes de l'Hémisphère Sud, aussi bien en termes de variabilité naturelle que d'impact anthropique. Ce travail est basé sur l'analyse d'une carotte de glace de 122 m extraite d'un site d'altitude en Patagonie (Monte San Valentin 46°35' S, 73°19' O, 3723 m). Outre l'établissement de profils à haute résolution des ions minéraux et organiques obtenus par chromatographie ionique, nous avons réalisé une étude des précipitations susceptibles d'influencer le site, fournissant ainsi une base pour l'interprétation de l'archive de glace. Ce site se caractérise par l'enregistrement d'événements à caractère marin et continental. Nous avons démontré que, sur ce glacier, les contributions marines primaires et secondaires ne sont pas synchrones et qu'elles sont très probablement sousreprésentées dans le profil en raison de processus d'accumulation. Contrairement au sel de mer, une partie importante des aérosols biogéniques marins est associée à un apport influencé par des contributions continentales diluées. L'apport continental est complexe : il est composé d'événements ponctuels de combustion, de retombées volcaniques et d'émissions par les sols. Il correspond à presque la moitié de la quantité totale de sulfate déposé. Cette contribution importante et omniprésente de sulfate est associée au nitrate et au chlorure, mais mieux cerner son origine nécessiterait des recherches plus poussées. La comparaison de notre archive glaciochimique avec des éruptions volcaniques datées et le début de la colonisation en Patagonie nous a permis de proposer quelques repères pour la datation de la carotte, qui reste à ce jour encore incertaine. Enfin, aucune tendance anthropique claire n'a été décelée à partir de l'évolution du bruit de fond des espèces continentales, excepté l'ammonium, lui pouvant être mis en relation avec l'utilisation croissante d'engrais après les années 1960.

Abstract: Avec pour objectif de documenter et comprendre ses sources et puits en atmosphère de fond, nous avons réalisé un enregistrement annuel du formaldéhyde troposphérique en Antarctique, sur la base côtière de Dumont d'Urville. Des teneurs mensuelles de 50 pptv en hiver jusqu'à 200 pptv en été ont été mesurées. Au printemps, et été et à l'automne, un cycle journalier a été observé, avec un maximum l'après midi et une amplitude d'environ 40 pptv. Les artéfacts observés avec les appareils utilisés pour la mesure de HCHO (AeroLaser 4021), liés aux variations de température dans le local de mesure et pouvant induire des biais de 50 à 100 pptv, ont été éliminés en adaptant notre méthode analytique. Le formaldéhyde étant produit lors des combustions, l'influence des sources de contamination locales a été examinée en détail. Les sources de combustion par la station augmentent sporadiquement de 150 pptv au maximum les moyennes horaires. Une source locale d'émission par les sols ornithogéniques en liaison avec la présence des Manchots Adélie peut influencer jusqu'à 200 pptv les moyennes horaires en été. Au total, ces deux sources locales peuvent surestimer d'un facteur 5 au maximum l'amplitude du cycle journalier observé et impacter jusqu'à 100 pptv les moyennes mensuelles en été. Suivant ce constat, les données brutes ont été filtrées selon des critères météorologiques locaux pour éliminer toute contamination potentielle. L'étude des sources et puits en phase gaz a été réalisée à l'aide d'un modèle de photochimie développé pour les conditions de DDU. Nos résultats montrent que l'oxydation du méthane domine le budget en été (80%) du fait des fortes teneurs en radicaux HOx et en NOx en liaison avec l'impact du plateau Antarctique atteignant DDU. Le méthyl-hydroperoxyde constitue une source secondaire significative de HCHO en phase gaz (20% de l'oxydation du méthane), tandis que les faibles teneurs en hydrocarbures non-méthaniques mesurées en été nous amène à évaluer la contribution de cette source initialement attendue comme importante à moins de 5% de l'oxydation de CH4. A la différence d'autres observations en Mer de Weddell, les composés halogénés semblent avoir une influence relativement limitée dans le cas de Dumont d'Urville (10% du budget total au maximum). Suivant nos estimations, l'apport continental efficace permet d'envisager une source d'émission par le manteau neigeux du plateau. Celle-ci constitue une source secondaire relativement faible en été (10%) mais domine le budget hivernal (70%). Notre exercice de modélisation sur l'échelle saisonnière et journalière souligne la nécessité d'associer les processus en phase gaz avec les flux d'émission par la neige et de dépôt afin de reproduire correctement les observations.

Abstract: Le réchauffement climatique enregistré depuis le début du siècle, et imputé en grande partie à la production massive de gaz à effets de serre par les activités anthropiques, se traduit par différentes réponses du système climatique terrestre. Les projections pour l'évolution climatique future requièrent l'utilisation de modèles, dont la fiabilité dépend en partie des tests conduisibles sous des conditions aux limites variables. Afin de contraindre les paramètres mal connus de ces modèles, l'étude des climats du passé constitue un moyen adapté. Le projet TALDICE de forage dans la glace prend place dans ce contexte général. Son objectif principal vise à enrichir notre connaissance de la variabilité climatique passée enregistrée sur le continent antarctique, en focalisant plus particulièrement sur les disparités régionales et le comportement des régions situées en bordure du plateau est-antarctique, notamment lors de variations rapides du climat. Le forage glaciaire profond TALDICE a été conduit à Talos Dome, en Terre de Victoria, près de la Mer de Ross. Dans ce travail de thèse nous nous sommes attelés à la construction d'une échelle d‘âge précise pour la carotte TALDICE, en nous appuyant, dans un premier temps, sur l'analyse du méthane et des isotopes de l'air contenu dans les bulles incluses au sein de la matrice glaciaire, et dans un second temps, sur l'utilisation de divers modèles de datation, dont une nouvelle méthode inverse optimisant la cohérence entre les marqueurs stratigraphiques et les contraintes glaciologiques. L'échelle d'âge TALDICE-1 ainsi édifiée a permis 1) de montrer que l'enregistrement climatique de la carotte était exploitable sans hiatus jusqu'à un âge de 250.000 ans avant notre ère, 2) de discuter les relations de phase des évènements climatiques rapides observés durant la dernière déglaciation et la fin de la période glaciaire (stade isotopique marin n°3) entre TALDICE et d'autres carottes de glace issues des deux hémisphères. Une analyse multi-proxies, accompagnéee par l'exploitation de simulations d'un modèle de climat global couplé océan-atmosphère (le modèle IPSL-CM4), nous a permis de conclure 1) à la synchronicité du signal climatique de TALDICE avec ceux des autres régions antarctiques lors des variations rapides de température, étendant ainsi à cette région l'empreinte du mécanisme de bascule bipolaire lors des variations climatiques rapides, 2) à l'observation de disparités régionales dans les taux de changement de la température entre les différents secteurs de l'Océan Austral, probablement gouvernées par des variations locales du couvert de glace de mer, ainsi que de l'intensité et de la localisation des vents zonaux. Nous concluons à une sensibilité accrue du secteur atlantique de l'Océan Austral lors des variations globales de température par rapport au secteur indien.

Abstract: La modélisation de la dynamique glaciaire passe par la compréhension et la reproduction des processus physiques responsables des déplacements observés à la surface des glaciers. Certains de ces processus, et en particuliers ceux qui oeuvrent à la base des glaciers, sont moins bien maîtrisés. Ainsi, même si le glissement à la base des glaciers à été observé dès le début du XXe siècle sa modélisation reste un problème actuel. La majorité des modèles de dynamiques glaciaires utilisent des lois de frottement uniquement basées sur la contrainte basale tangentielle pour déterminer les vitesses de glissement. Il est alors nécessaire de faire varier en temps et en espace le paramètre de la loi de frottement pour obtenir un champ de vitesse comparable aux données mesurées. Par ailleurs, de nombreuses études ont montré que la pression et donc le volume d'eau à la base des glaciers jouait un rôle important sur la vitesse de glissement des glaciers. L'objectif de cette thèse est de mettre en place un modèle capable de calculer la pression d'eau à la base des glaciers et de le coupler à un modèle d'écoulement glaciaire par l'intermédiaire d'une loi de frottement. On utilise pour cela une approche utilisant des milieux poreux analogues représentant les deux composantes (inefficace et efficace) du système de drainage. Les expériences de sensibilité présentées montrent que cette méthode permet de reproduire les spécificités d'un système de drainage sous-glaciaire. Enfin, la reproduction qualitative d'un phénomène glaciologique extrême de jökulhlaup (vidange de lac sous-glaciaire) a permis de vérifier la robustesse du modèle.

Abstract: La neige est la surface terrestre la plus réfléchissante et sa présence sur de vastes étendues comme l'Antarctique affecte considérablement le bilan énergétique de la Terre. L'albédo de la neige dépend de ses propriétés physiques, et notamment de sa surface spécifique, c'est-à-dire de la surface totale de ce milieu poreux accessible aux gaz, par unité de masse. La surface spécifique (SS) est également une variable importante pour la chimie des interactions neige-atmosphère, car elle permet de quantifier les molécules adsorbées. Cependant, faute de méthodes simples pour la mesurer, la SS de la neige antarctique a été très peu étudiée. Un des objectifs de ce travail a été de concevoir et de mettre au point un nouveau dispositif expérimental pour mesurer la SS de la neige à partir de sa réflectance dans l'infra-rouge. Ce dispositif permet une mesure rapide avec une précision de 10 % et il est facile à mettre en œuvre dans les conditions hostiles des régions polaires. Nous avons ainsi réalisé les premières mesures de SS de la neige de surface sur le plateau Antarctique, à Dôme C (DC) et sur le trajet entre DC et la base côtière de Dumont D'Urville (DDU). Ces mesures ont été effectuées dans des puits d'environ un mètre de profondeur. Des suivis de l'évolution journalière de la SS ont également été réalisés. Il a été mis en évidence que les propriétés physiques de la neige sont spatialement inhomogènes à l'échelle de quelques mètres sur le plateau Antarctique car l'accumulation y est très faible et le vent remobilise la neige de surface, pour la redéposer en couches discontinues. Des hétérogénéités sont aussi observées entre DC et DDU, à cause notamment de l'augmentation de la vitesse du vent lorsque l'on se rapproche de la côte. A l'échelle journalière, les variations de la SS de la neige observées pour les deux premiers centimètres du manteau neigeux s'expliquent par la formation de givre de surface la nuit et de cristaux de sublimation le jour. Toutes ces mesures nous ont permis de calculer l'albédo de la neige sur le plateau Antarctique et ses variations journalières. Une étude préliminaire propose une comparaison de ces mesures avec des observations satellitales et les premiers résultats sont très encourageants quant à la possibilité de déterminer la SS de la neige depuis l'espace.

Abstract: L'objectif principal de cette thèse est de caractériser les interactions entre la composition chimique et la structure des communautés microbiennes dans un manteau neigeux arctique. Une attention toute particulière est portée au mercure, dont le cycle biogéochimique complexe est encore mal connu. Avant toute chose, les fractions biotiques et abiotiques d'un manteau neigeux saisonnier doivent être caractérisées. A partir d'échantillons de neige et d'eau de fonte prélevés au cours d'une étude de deux mois en 2007 à Ny-Ålesund, nous avons montré que la diversité des séquences est élevée et nous avons également examiné le devenir du mercure, depuis son dépôt au cours des phénomènes de déplétions jusqu'à son transfert lors de la fonte des neiges. Les résultats de cette campagne ont souligné la nécessité d'améliorer nos connaissances sur la spéciation du mercure et ont conduit à l'élaboration d'un biocapteur mer-lux pour mesurer la fraction biodisponible de mercure, déployé lors d'une seconde campagne de deux mois au printemps 2008. En parallèle à l'analyse chimique, nous avons suivi les changements dans la structure des communautés microbiennes présentes dans les échantillons de neige et d'eau de fonte. Nous avons enfin exploré l'effet de la contamination au mercure sur la fonction de la communauté et démontré que le méthylmercure affecte la structure des communautés ainsi que sa fonction à des concentrations beaucoup plus faibles que précédemment rapportées. Nos résultats fournissent une base pour de nouvelles études sur l'interaction entre la composition chimique, la présence de contaminants anthropiques et la structure des communautés microbiennes.

Abstract: Ce travail se concentre essentiellement sur le glaciation de la fin du Saalien (160 -140 ka) en Eurasie. Les résultats du projet Quaternary Environment of the Eurasian North montrent que durant cette période, la calotte Eurasienne était plus grosse que durant le Dernier Maximum Glaciaire (LGM, 21 ka). Les paramètres orbitaux de ces deux périodes étaient différents alors que les concentration de gaz à effet de serre étaient identiques. Afin de comprendre comment cette calotte a pu atteindre cette taille en Eurasie durant la fin du Saalien, nous avons utilisé un modèle de circulation générale atmosphérique (AGCM), un AGCM couplé à une couche mixte océanique ainsi qu'un modèle de végétation pour explorer l'influence des paramètres régionaux, des températures de surface océaniques et des paramètres orbitaux sur le bilan de masse en surface (SMB) de cette calotte Saalienne.
A 140 ka, les lacs proglaciaires, la végétation et les températures océaniques simulées refroidissent le climat régional, diminuant l'ablation le long des marges Sud. Les dépôt de poussière au contraire, réchauffent le climat. La présence d'un ice-shelf dans l'Océan Arctique durant le MIS 6 n'affecte pas le SMB de la calotte eurasienne. Selon les données géologiques, la calotte Saalienne avait atteint sa taille maximale avant 160 ka. L'insolation d'été dans les hautes latitudes montre un pic très net vers 150 ka. La climat simulé avant 140 ka est plus humide et l'ablation le long des marges sud est plus importante bien que le SMB reste positif. La calotte Saalienne semble avoir été suffisamment grosse pour générer son propre refroidissement régional et se maintenir en Eurasie jusqu'à la Terminaison II (130 ka).

Abstract: Les régions polaires représentent actuellement les régions mondiales où les changements liés au réchauffement climatique se manifestent de manière particulière et souvent spectaculaire. Notre capacité actuelle à comprendre les modes naturels de la variabilité climatique dans ces zones, ainsi que les impacts directs ou indirects de l'activité anthropique sur ces modes, reste encore relativement limitée. Ainsi, la nappe glaciaire Antarctique et ses composantes (atmosphère, océan, glace de mer) restent encore mal représentées dans les modèles climatiques actuels, contribuant notamment à de fortes incertitudes sur les projections climatiques futures et l'évolution associée du niveau des océans. La poursuite des études sur l'équilibre ou non (et l'évolution future) du bilan de masse (surface et total) des différents secteurs du continent Antarctique, par rapport au réchauffement climatique actuel, s'avère donc primordiale. Dans le cadre de ce manuscrit, je propose de contribuer à réduire les incertitudes du Bilan de Masse de Surface (BMS) Antarctique, permettant d'aborder une optimisation de la cartographie actuelle de ce dernier que ce soit avec les modèles climatiques ou les cartes d'interpolation de BMS.

Abstract: Ce travail de thèse est basé sur la mesure du dioxyde de carbone, CO2, et de son isotopologue stable δ13CO2 dans les bulles d'air emprisonnées dans la glace polaire (carotte EPICA Dome C en Antarctique, EDC). On s'intéresse aux transitions rapides entre périodes glaciaires et interglaciaires. Le δ13CO2 permet de départager l'origine du CO2 entre les sources océaniques ou terrestres.
Cette étude documente à haute résolution temporelle l'évolution du CO2 et du δ13CO2 pendant les deux dernières déglaciations. La dernière déglaciation est caractérisée par une augmentation en CO2 de 80 ppmv, accompagnée par une diminution en δ13CO2 de 0.6 ‰. Des amplitudes plus importantes sont observées durant la pénultième déglaciation (+110 ppmv CO2, accompagnés pas une diminution en δ13CO2 de 0.9 ‰).
Les mesures, interprétées avec deux modèles du cycle du carbone (BOXKIT et BICYCLE) sont cohérentes avec le scénario suivant. Dans un premier temps, un réchauffement de l'hémisphère sud initie une augmentation du CO2 atmosphérique. Ceci entraîne une réorganisation biologique et physique de l'océan austral qui diminue le δ13CO2. Enfin, cette réorganisation se propage vers le nord avec un impact retardé de la biosphère continentale, pendant le Bølling/Allerød (B/A).
Ces résultats obtenus pour la première fois dans la carotte EDC, ont permis de proposer un scénario sur les causes des déglaciations. Une série de tests, basée sur des glaces de différentes propriétés a fourni une validation de notre méthode d'extraction.