Les objectifs de cette thèse sont de caractériser l'évolution du cycle hydrologique continental en France au cours des 150 dernières années, ainsi que d'étudier les mécanismes hydrologiques et climatiques en jeu. Les observations de débits des rivières françaises disponibles sur un siècle ou plus sont rares. Pour la quasi-totalité des autres variables du cycle hydrologique continental, des séries aussi longues sont inexistantes. Pour pallier à ces lacunes observationnelles, le recours à la simulation numérique est utilisé. Dans une première partie, des reconstructions hydrométéorologiques développées sur la France au 20ème siècle sont analysées. Ces reconstructions sont basées sur une nouvelle approche, combinant les résultats d'une méthode de descente d'échelle statistique appliquée à des réanalyses atmosphériques longues et des observations locales mensuelles de précipitation et de température, pour obtenir les forçages météorologiques nécessaires au modèle hydrologique à base physique utilisé. L'évaluation de cette méthode montre que l'utilisation d'observation locale améliore de manière ntoable la représentation des variations multi-décennales ainsi que des tendances des précipitations et de la températureainsi que des débits. L'analyse de ces reconstructions montre que les variations multi-décennales des débits observés sont principalement d'origine climatique, et non dues à des influences anthropiques non-climatiques, comme la présence de barrage, ou à des inhomogénéités temporelles dans les séries observées. D'autres variables du cycle hydrologique, comme l'évapotranspiration, l'humidité des sols ou encore le manteau neigeux, présentent également de fortes variations aux échelles de temps multi-décennales. En fonction de la région, la persistance en été d'anomalies printanières d'humidité des sols ou du manteau neigeux, induites par des anomalies de précipitation et de température au printemps, explique une grande partie des variations multi-décennales des débits en été. À partir de la nouvelle réanalyse atmosphérique NOAA 20CRv2c, disponible depuis les années 1850, une nouvelle reconstruction hydrométéorologique est développée sur le bassin de la Seine dans une seconde partie. Pour cela, une nouvelle approche est développée, basée la contrainte des résultats d'une méthode de descente d'échelle appliquée aux 56 membres de cette réanalyse par des observations locales de précipitation et de température au pas de temps journalier puis mensuel. Cette nouvelle approche permet d'améliorer la représentation des précipitations et des températures journalières, ainsi qu'à des pas de temps plus long. Les évènements hydrologiques extrêmes comme les crues et les sécheresses sont bien mieux représentées qu'avec une méthode de descente d'échelle seule, ou une contrainte mensuelle uniquement. L'étude de cette reconstruction développée sur la Seine permet de confirmer les résultats obtenus sur la France sur une période de 50 ans plus longues, ce qui renforce la confiance en ces résultats. De plus, ces variations multi-décennales des débits moyens influencent également les évènements extrêmes hydrologiques. Ces analyses montrent également que les nappes jouent un rôle important dans la variabilité multi-décennale des débits sur les quatre saisons sur la Seine. La variabilité multi-décennale des précipitations en hiver et au printemps module la recharge des nappes, contrôlant ainsi les échanges d'eau des nappes vers les rivières. Le rôle des nappes dans les variations multi-décennales des débits est le plus important en été et en automne. Enfin, l'étude des mécanismes climatiques à l'origine des variations multi-décennales de précipitations au printemps indique qu'elles sont pilotés par des fluctuations multi-décennales de la circulation atmosphérique de grande échelle. Ces fluctuations de la circulation atmosphérique semblent modulées par la température de surface de l'océan de l'Atlantique Nord, ainsi que du Pacifique Nord. |
The main objectives of this work are to characterize the evolution of the continental hydrological cycle over France from 1850 to present, and to understand the hydrological and climate mechanisms involved. Long-term river flows observations of river flows are scarce and the other variables of the continental hydrological cycle (soil moisture, snow cover and evapotranspiration) are virtually not observed on such longtime scales. To overcome this observational gap, numerical modelling is used. First, hydrometeorological reconstructions available over France through the twentieth century are analyzed. These reconstructions are based on a new approach. It combines the results of long-term atmospheric reanalyses downscaled with a stochastic statistical method and homogenized monthly precipitation and temperature observations to derive the meteorological forcing needed for the physically based hydrological model. The evaluation of these reconstructions show that using homogenized observations to constrain the results of statistical downscaling help to improve the reproduction of precipitation, temperature, and river flows variability. In particular, some unrealistic long-term trends associated with the atmospheric reanalyses are corrected. The analysis of the reconstructions confirms that the multidecadal variations previously noted in French river flows are mainly a climatic-driven. Moreover, the analysis shows that the other variables of the french continental hydrological cycle, like evapotranspiration, soil moisture or snow cover, are also characterized by multi-decadal variations. Depending on the region, the persistence from spring to summer of soil moisture or snow anomalies generated during spring by temperature and precipitation variations may explain river flows variations in summer, when no concomitant climate variations exist. Based on the recent release of the NOAA 20CRv2c long-term atmospheric reanalysis, available from the 1850s, a new hydrometeorological reconstruction is developed over the Seine catchment. A new approach is developed, based on the results of a downscaling method applied to the 56 members of this reanalysis, constrained by local observations of precipitation and temperature at daily and monthly time scale. This new approach improves the representation of precipitation, temperature and river flows at the daily time scale, as well as at longer time scales. The reproduction of extreme hydrological events such as floods and droughts is also improved compared to a downscaling method alone or the monthly constraint only. The analysis of this reconstruction confirms the previous results obtained over France with a longer period of 50 years, which reinforces the confidence in them. It also shows that these multi-decadal variations of the Seine river flows influence hydrological extreme events, such as floods or droughts. The role of aquiferes in this variability is highlighted for the four seasons. The multi-decadal variations of winter and spring precipitation modulate groundwater recharge, which controls the water exchanges from aquifers to rivers. The role of aquifers in the multi-decadal variations of the river flows is greater in summer and autumn. Finally, the analysis of the climate mechanisms that drives these multi-decadal hydrological variations shows that they are driven by multi-decadal variations of the large scale atmospheric circulation. These variations seem to be modulated by the sea surface temperature of the North Atlantic and the North Pacific. |