Evolution passée et future de la composition chimique stratosphérique et ses interactions avec le climat

In recent decades, the stratosphere and its chemical composition has undergone significant changes that are beginning to influence the climate. In the stratosphere, the most significant from the point of view of climate change are the ozone layer depletion and the increasing water vapor. Following the increasing of the atmospheric loading of halogen compounds, the ozone layer has depleted over the last thirty years. This laoding has been increasing in the late 90s as a result of the implementation of the Montreal Protocol and its amendments on the control of CFCs emissions. It is therefore expected that the stratospheric ozone found, on the global scale, the levels of 60s (pre-CFC) during this century. However, ozone does not recover its spatial distribution 60s because this distribution depends not only on the laoding of halogen compounds, but also the greenhouse gas concentrations. Indeed, changes in the stratosphere and climate are coupled via chemical, dynamics and radiative mechanisms. In parallel, the wter vpor has increased significantly since the second half of the 20th century. On this long-term trend superimposed very substantial inter-annual fluctuations. For example, observations showed a fairly sharp decline in water vapor in 2001, which remains poorly explained. To better understand the characteristics between the stratospheric chemical composition and climate, chemistry-climate models have been developed during the last decade. Climatologies of these models were evaluated by comparisons with various sets of observations in the context of major international programs such as SPARC/CCMVal. This thesis is rather focused on the assessment of the variability in these models. Vari- ability can be decomposed into two terms: the internal variability (hard to describe) generated from within the system and the forced variability which is generated by external forcing to the system, such as solar activity or loading of halogen compounds. The first part of this thesis focuses on the assessment of the models in terms of inter-annual variability of stratospheric chemical composition, including ozone and water vapor. We are interested not only in the inter-annual variability of stratospheric ozone at NDACC observation stations, but also to external forcings contributions on this variability. Then, we focus on stratospheric water vapor, in particular, on the phenomena of fairly sharp variations (also called ruptures) of the content that can generate a very significant climate forcing. The ability of CCMs to reproduce these rupture is evaluated by comparisons with long time series of observations. Finally, we study the climate forcing of ozone variations, in particular evolution of its radiative forcing until the end of the century and if the evolution of ozone on a global scale may be an indicator of its radiative forcing.Ces dernières décennies, la stratosphère et sa composition chimique ont subi des changements importants qui commencent à influencer le climat. Dans la stratosphère, les changements les plus significatifs du point de vue du climat sont l'amincissement de la couche d'ozone et l'augmentation de la vapeur d'eau. Suite à l'augmentation de la charge en composés atmosphériques halogénés, la couche d'ozone s'est amincie au cours de ces trente dernières années. Cette charge a cessé d'augmenter à la fin des années 90 à la suite de l'application du Protocole de Montréal et de ses amendements sur le contrôle des émissions des CFC. On s'attend donc à ce que l'ozone stratosphérique retrouve, à l'échelle globale, les niveaux des années 60 (pré-CFC) au cours de ce siècle. Cependant l'ozone ne retrouvera certainement pas sa distribution spatiale des années 60 car cette distribution dépend non seulement de la charge en espèces halogénées mais aussi de la concentration des gaz à effet de serre. En effet, les évolutions de la stratosphère et du climat sont couplées par l'intermédiaire de mécanismes d'origine chimique, dynamique et radiatif. En parallèle, la vapeur d'eau a augmenté fortement depuis la seconde moitié du 20ème siècle. Sur cette tendance à long terme se superposent des fluctuations inter- annuelles très substantielles. Par exemple, les observations ont montré une assez forte diminution de la vapeur d'eau en 2001 qui reste encore mal expliquée. Pour mieux comprendre les caractéristiques entre la composition chimique de la stratosphère et le climat, des modèles de chimie-climat ont été développés durant la dernière décennie. Les climatologies de ces modèles ont été évaluées par des comparaisons avec divers jeux d'observations dans le cadre de grands programmes internationaux tels que SPARC/CCMVal. Cette thèse est plutôt centrée sur l'évaluation de la variabilité dans ces modèles. La variabilité peut être décomposée en deux termes : une variabilité dite interne (difficile à caractériser) générée au sein même du système atmosphérique et la variabilité dite forcée qui est générée par des forçages externes au système, tels que l'activité solaire ou la charge en composés halogénés. La première partie de cette thèse porte sur l'évaluation des modèles en termes de variabilité inter-annuelle de la composition chimique stratosphérique, notamment ozone et vapeur d'eau. Nous nous intéressons non seulement à la variabilité inter-annuelle de l'ozone stratosphérique, vue des stations d'observations du NDACC, mais aussi aux contributions des forçages externes à cette variabilité. Ensuite, nous portons notre attention sur la vapeur d'eau stratosphérique et, en particulier, sur les phénomènes de variations assez rapides (aussi appelées ruptures) de sa teneur qui peuvent générer un forçage climatique très significatif. La capacité des CCM à reproduire ces ruptures est évaluée par des comparaisons à des longues séries temporelles d'observations. Enfin, nous étudions le forçage climatique des variations d'ozone, en particulier l'évolution de son forçage radiatif jusqu'à la fin du siècle et si l'évolution de l'ozone à l'échelle globale peut être un indicateur de son forçage radiatif