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La zone de transition de précipitation des tempêtes hivernales se caractérise par une évolution spatio-temporelle de plusieurs types de précipitations, tels que la neige, la neige mouillée, le grésil, la pluie verglaçante et la pluie. Le givrage de la pluie verglaçante sur les infrastructures et les accumulations rapides de grésil et de neige mouillée peuvent, entre autres, provoquer des bris majeurs des lignes de distribution et de transport d'électricité et, ainsi, engendrer des coûts économiques majeurs. Il existe encore plusieurs défis en ce qui concerne l'étude et la simulation des types de précipitations dans la zone de transition lorsque les températures sont proches de 0°C. Ces défis sont notamment liés à la nécessité de connaître l'évolution des particules en phase mixte et au manque d'outils permettant de simuler explicitement les processus microphysiques de ces particules. L'objectif de la thèse est d'étudier les processus microphysiques et les types de précipitations simulés d'une tempête hivernale extrême dans le climat actuel comme dans le contexte du réchauffement climatique en utilisant la prévision de la fraction liquide. La fraction liquide est définie comme le rapport de la masse d'eau liquide sur la masse totale d'une particule en phase mixte. Pour atteindre l'objectif, des simulations à haute résolution d'une tempête hivernale extrême sont faites en combinaison avec le développement d'une nouvelle approche pour prévoir la fraction liquide des particules en phase mixte dans un schéma de microphysique. Le premier chapitre décrit et teste une nouvelle approche pour inclure la prévision de la Jraction liquide dans le schéma de microphysique « bulk » Predicted Particle Properties. Il est d'abord démontré que le processus de fonte partielle des flocons de neige proposé par cette nouvelle approche se compare bien à un modèle de référence basé sur la théorie et les observations. Ensuite, le schéma incluant la prévision de la fraction liquide est comparé à la version originale ( sans la prévision de la fraction liquide) en utilisant un modèle de nuage colonne. Il est démontré que la prévision de la fraction liquide permet de représenter, d'une part, plusieurs comportements importants des propriétés des hydrométéores, comme l'augmentation de la densité des particules en fonte, et, d'autre part, de nouvelles rétroactions entre la température de l'air et les changements de phase des processus microphysiques de regel et de transfert de vapeur d'eau. La prévision de la fraction liquide affecte les proportions de la masse de pluie et de neige mouillée dans la couche de fonte notamment en favorisant la production de neige mouillée aux dépens de la pluie. Le deuxième chapitre utilise la paramétrisation développée dans le premier chapitre pour étudier les impacts de la prévision de la fraction liquide sur la simulation des types de précipitations d'une tempête hivernale. Pour ce faire, des simulations numériques avec le modèle atmosphérique Weather Research and Forecasting de la tempête extrême de pluie verglaçante du 4 au 10 janvier 1998 sont faites avec et sans la prévision de la fraction liquide. L'accent est mis sur la comparaison des types de précipitations et des propriétés microphysiques simulés. Il est démontré que l'impact principal de la prévision de la fraction liquide est une diminution générale de l'accumulation totale de pluie verglaçante associée notamment à une augmentation de l'accumulation totale de neige et grésil. La diminution de pluie verglaçante est maximale dans les régions où les particules de glace en altitude sont givrées et la hauteur de la couche de fonte est élevée. Le troisième chapitre a pour objectif d'étudier les impacts d'une atmosphère plus chaude sur la simulation des types de précipitations d'une tempête hivernale en utilisant la prévision de la fraction liquide. Pour cela, l'approche du Pseudo-Global-Warming est employée pour la simulation de la même tempête qu'au deuxième chapitre. Cette approche consiste à modifier les variables météorologiques fournies aux conditions initiales et aux frontières latérales avec des perturbations climatiques calculées à partir de projections climatiques d'un modèle climatique global couplé. Les distributions à la surface et en altitude des types de précipitations des deux simulations sont comparées. Les résultats montrent qu'en général la pluie verglaçante et la neige mouillée sont changées en pluie, alors que la neige et le grésil deviennent plutôt un mélange de pluie verglaçante, de grésil et de pluie. Or, ces résultats restent variables pour les accumulations de pluie verglaçante (grésil) de moins de 20 mm (15 mm). De plus, il est démontré que la présence montagneuse des Appalaches affecte l'emplacement des couches de fonte et de regel en altitude. Il existe donc des régions sur lesquelles des quantités importantes de pluie verglaçante sont accumulées dans les deux simulations. En conclusion, l'approche basée sur la physique développée dans cette thèse pour la prévision de la fraction liquide est novatrice et permet de simuler explicitement les propriétés et les processus microphysiques des particules en phase mixte. Ces particules sont importantes pour les formations de plusieurs types de précipitations, tels que le grésil et la pluie verglaçante. La recherche présentée dans cette thèse contribue à une meilleure compréhension physique de la simulation des types de précipitations d'une tempête hivernale lorsque les températures sont proches de 0°C dans l'objectif ultime de contribuer aux prévisions numériques du temps hivernal. _____________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : simulations numériques, tempête hivernale, grésil, pluie verglaçante, fraction liquide, réchauffement climatique

Cette thèse vise à rechercher les configurations expérimentales optimales pour étudier la réponse des Modèles Régionaux du Climat à aire limitée (MRC) face à des perturbations de leurs paramètres. Le travail est présenté en deux parties. La première partie aborde le cas d'une comparaison entre les simulations provenant d'un MRC, où un événement météorologique ou saisonnier est mis à l'échelle dynamiquement à partir de données observées (réanalyses). Cette situation implique l'utilisation de périodes d'intégration relativement courtes. Par conséquent, la réponse obtenue dans les moyennes temporelles des simulations par rapport à des modifications aux paramètres a tendance à être noyée dans le bruit quasi-aléatoire provenant de la dynamique chaotique du MRC. La possibilité d'augmenter le rapport signal-bruit par l'application du pilotage spectral ou par une réduction de la taille du domaine est étudiée. L'approche adoptée consiste à analyser la sensibilité des moyennes saisonnières du MRC Canadien (MRCC) face à des perturbations sur deux paramètres variés un à un. Le premier contrôle la convection profonde tandis que le second régit la condensation stratiforme. Les résultats montrent que l'ampleur du bruit diminue avec la réduction de la taille du domaine ainsi que par l'application du pilotage spectral. Toutefois, la réduction de la taille du domaine produit aussi des altérations statistiquement significatives de certains signaux, ce qui favorise l'utilisation de pilotage spectral. La deuxième partie de cette thèse aborde le cas d'une comparaison entre deux simulations d'un MRC en termes du climat simulé. À cet effet, un cadre théorique est développé pour le calcul des statistiques de premier et second ordre sur la différence entre les simulations. Les statistiques de la différence sont décomposées en une composante déterministe et reproductible contrainte par les conditions aux frontières et une composante de bruit provenant de la dynamique interne du MRC. Certaines questions reliées à l'estimation de la différence des moyennes temporelles entre les simulations sont développées en détail. Par exemple, un partage optimal des ressources informatiques entre la taille d'un ensemble et la longueur de la période d'intégration, ou encore l'impact de la t aille du domaine et du pilotage spectral sur l'estimation de la réponse du modèle. Une application de ces considérations théoriques est illustrée à partir de la réponse des simulations du MRCC dont un paramètre lié à la convection profonde a été perturbé. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : modèle régional de climat, perturbation des paramètres, ensemble, composante reproductible, pilotage spectral, taille du domaine, différence de moyennes.