Le principal objectif de cette thèse est de développer des techniques destinées à l'étude des changements de température dans les lacs et, plus particulièrement le lac Léman, d'ici la fin du 21ème siècle. Pour ce faire, il a fallu, dans un premier temps, sélectionner, puis adapter un modèle thermodynamique de lac afin qu'il soit en mesure de reproduire les profils thermiques du lac sous des conditions climatiques actuelles. Puis, deux méthodes de couplage ont été élaborées : la méthode statistique unidirectionnelle avancée est très fiable, mais néglige les effets du lac sur l'atmosphère, la seconde, plus complexe, prend en compte les processus de rétroaction à l'interface lac – atmosphère, mais exige une phase de calibration plus importante. Les données de surface issues de modèles de climat ont servi de conditions limites pour alimenter le modèle de lac dans le futur. L'analyse de sensibilité du lac Léman aux changements de la teneur en CO2 atmosphérique (doublement et triplement), montre un réchauffement découplé de la colonne d'eau, jusqu'à deux fois plus intense dans les couches épilimniques, et un renforcement de la stratification métalimnique. On note également un raccourcissement de la période où le lac est peu ou pas stratifié et une réduction de la fréquence des brassages complets. Les rétroactions lac - atmosphère de l'expérience entièrement couplée permettent d'engendrer des variations d'humidité dans l'atmosphère et de modifier couverture nuageuse et flux radiatifs.