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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

La précipitation verglaçante peut avoir des impacts néfastes sur la société, tels que causer des pannes de courant majeures, ainsi que produire de sérieux problèmes dans les réseaux de transport. Malgré les conséquences catastrophiques associées à ce type de précipitation, elle est encore peu étudiée dans un contexte de changement climatique. Pour représenter ce type de précipitation dans les modèles du climat, il est important de correctement simuler les écoulements atmosphériques près de la surface. Les simulations climatiques à haute résolution sont, donc, nécessaires pour représenter adéquatement la topographie, mais ces dernières exigent des ressources informatiques considérables, surtout lorsqu'on utilise des modèles de circulation générale. Or, les modèles régionaux du climat (MRC) sont des modèles à aire limitée qui permettent la simulation du climat à fine échelle à un moindre coût de calcul. Ces derniers utilisent les solutions des modèles de circulation générale à leurs frontières pour développer leurs propres solutions. Cependant, lorsqu'ils sont utilisés à très haute résolution, le nombre de calculs requis peut être hors de la portée des ressources informatiques disponibles. L'utilisation en cascade d'un modèle régional du climat pourrait être une alternative pratique pour garder le coût de calcul raisonnable. L'objectif principal de cette thèse est d'étudier et optimiser l'utilisation de la réduction d'échelle dynamique multiple comme une approche appropriée pour réaliser une étude du climat de la précipitation verglaçante à faible coût de calcul. Cette thèse est divisée en trois sections. La première partie étudie l'approche de la cascade pour réaliser des simulations climatiques à haute résolution. Dans cette étude, des résultats de simulations obtenues avec une approche de réduction d'échelle simple et double sont comparés selon le protocole expérimental "idéalisé" du grand frère. Une première simulation, nommée la simulation du grand frère, est réalisée sur un grand domaine à la résolution désirée. Cette simulation sert de référence. La solution du grand frère est ensuite traitée par un filtre passe-bas permettant de garder seulement les grandes échelles qui serviront de conditions aux frontières (CF) à des simulations tests appelées les simulations du petit frère. Pour la réduction d'échelle simple, les simulations tests sont directement pilotées par la solution de la simulation de référence filtrée, alors que pour la réduction d'échelle double un substitut d'une simulation de résolution intermédiaire est utilisé. L'étude de la composante stationnaire montre très peu de différences entre les deux approches, alors que la composante de la variabilité transitoire montre de grandes différences. L'approche de la réduction d'échelle double dégrade légèrement les grandes échelles, mais permet une importante réduction de la grandeur de domaine requise pour développer adéquatement les caractéristiques de fines échelles. Ceci a un impact considérable sur le coût de calcul. La seconde partie porte sur la distance nécessaire à partir de la frontière latérale pour que circulation entrante développe ses caractéristiques de fine échelle permises par la résolution plus fine du MRC. Pour étudier cette question, les solutions de simulations réalisées par un MRC piloté par des CF de différentes résolutions sont étudiées selon le protocole du grand frère. Plusieurs expériences ont été réalisées pour évaluer la largeur de la région du "spin-up" requise pour un développement adéquat des fines échelles en fonction de la résolution du MRC, des conditions aux frontières ainsi que du saut de résolution. Cette distance se trouve à être seulement fonction de la résolution des conditions aux frontières, indépendamment de la résolution du MRC. Lorsque la résolution du MRC varie pour un même saut de résolution, la distance "spin-up" peut être convertie, selon la résolution du MRC, en nombre de points de grille. Ces résultats peuvent être utilisés pour choisir le domaine et la configuration du MRC pour un développement optimal des fines échelles permises par la résolution. La troisième partie de cette thèse est une application des deux précédentes études pour étudier l'impact des changements climatiques sur la précipitation verglaçante au sud du Québec avec un MRC utilisé en cascade pour atteindre un maillage de 0.11° selon le scénario d'émission RCP 8.5. La précipitation verglaçante est diagnostiquée selon cinq méthodes empiriques (Cantin & Bachand, Bourgouin, Ramer, Czys et, Baldwin). Les précipitations diagnostiquées sont étudiées pour le passé récent (1980-2009) et comparées avec le scénario climatique futur (2070-2099). En premier lieu, la climatologie passée se compare aux observations. Les projections futures suggère une diminution des occurrences de précipitation verglaçantes pour le sud du Québec d'octobre à avril, principalement due à une diminution des évènements de longues durées (>6h). Les résultats montrent une plus grande diminution de décembre à février. En général, cette étude contribue à une meilleure compréhension de la distribution de la précipitation verglaçante sous un climat plus chaud et permet de mettre en lumière l'importance des conditions atmosphériques pour ce type de précipitation. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Simulation climatique à haute résolution, L'expérience du grand frère, Réduction d'échelle dynamique multiple, Développement des petites échelles, Modélisation régionale du climat, Saut de résolution, Changement climatique, Diagnostique du type de précipitation, Pluie verglaçante, Grésil