Cette thèse concerne le développement, l'extension et l'application d'une formulation stochastique des équations de la mécanique des fluides introduite par Mémin (2014). La vitesse petite échelle, non-résolue, est modélisée au moyen d'un champ aléatoire décorrélé en temps. Cela modifie l'expression de la dérivée particulaire et donc les équations de la mécanique des fluides. Les modèles qui en découlent sont dénommés modèles sous incertitude de position. La thèse s'articulent autour de l'étude successive de modèles réduits, de versions stochastiques du transport et de l'advection à temps long d'un champ de traceur par une vitesse mal résolue. La POD est une méthode de réduction de dimension, pour EDP, rendue possible par l'utilisation d'observations. L'EDP régissant l'évolution de la vitesse du fluide est remplacée par un nombre fini d'EDOs couplées. Grâce à la modélisation sous incertitude de position et à de nouveaux estimateurs statistiques, nous avons dérivé et simulé des versions réduites, déterministe et aléatoire, de l'équation de Navier-Stokes. Après avoir obtenu des versions aléatoires de plusieurs modèles océaniques, nous avons montré numériquement que ces modèles permettaient de mieux prendre en compte les petites échelles des écoulements, tout en donnant accès à des estimés de bonne qualité des erreurs du modèle. Ils permettent par ailleurs de mieux rendre compte des évènements extrêmes, des bifurcations ainsi que des phénomènes physiques réalistes absents de certains modèles déterministes équivalents. Nous avons expliqué, démontré et quantifié mathématiquement l'apparition de petites échelles de traceur, lors de l'advection par une vitesse mal résolu. Cette quantification permet de fixer proprement des paramètres de la méthode d'advection Lagrangienne, de mieux le comprendre le phénomène de mélange et d'aider au paramétrage des simulations grande échelle en mécanique des fluides. / This thesis develops, analyzes and demonstrates several valuable applications of randomized fluid dynamics models referred to as under location uncertainty. The velocity is decomposed between large-scale components and random time-uncorrelated small-scale components. This assumption leads to a modification of the material derivative and hence of every fluid dynamics models. Through the thesis, the mixing induced by deterministic low-resolution flows is also investigated. We first applied that decomposition to reduced order models (ROM). The fluid velocity is expressed on a finite-dimensional basis and its evolution law is projected onto each of these modes. We derive two types of ROMs of Navier-Stokes equations. A deterministic LES-like model is able to stabilize ROMs and to better analyze the influence of the residual velocity on the resolved component. The random one additionally maintains the variability of stable modes and quantifies the model errors. We derive random versions of several geophysical models. We numerically study the transport under location uncertainty through a simplified one. A single realization of our model better retrieves the small-scale tracer structures than a deterministic simulation. Furthermore, a small ensemble of simulations accurately predicts and describes the extreme events, the bifurcations as well as the amplitude and the position of the ensemble errors. Another of our derived simplified model quantifies the frontolysis and the frontogenesis in the upper ocean. This thesis also studied the mixing of tracers generated by smooth fluid flows, after a finite time. We propose a simple model to describe the stretching as well as the spatial and spectral structures of advected tracers. With a toy flow but also with satellite images, we apply our model to locally and globally describe the mixing, specify the advection time and the filter width of the Lagrangian advection method, as well as the turbulent diffusivity in numerical simulations.

La conception assistée par ordinateur (CAO), les effets visuels, la robotique et de nombreux autres domaines tels que la biologie computationnelle, le génie aérospatial, etc. reposent sur la résolution de problèmes mathématiques. Dans la plupart des cas, des méthodes de calcul sont utilisées pour résoudre ces problèmes. Le choix et la construction de la méthode de calcul ont un impact important sur les résultats et l'efficacité du calcul. La structure du problème peut être utilisée pour créer des méthodes, qui sont plus rapides et produisent des résultats qualitativement meilleurs que les méthodes qui n'utilisent pas la structure. Cette thèse présente trois articles avec trois nouvelles méthodes de calcul s'attaquant à des problèmes de simulation et d'optimisation contraints par des équations aux dérivées partielles (EDP). Dans le premier article, nous abordons le problème de la dissipation d'énergie des solveurs fluides courants dans les effets visuels. Les solveurs de fluides sont omniprésents dans la création d'effets dans les courts et longs métrages d'animation. Nous présentons un schéma d'intégration temporelle pour la dynamique des fluides incompressibles qui préserve mieux l'énergie comparé aux nombreuses méthodes précédentes. La méthode présentée présente une faible surcharge et peut être intégrée à un large éventail de méthodes existantes. L'amélioration de la conservation de l'énergie permet la création d'animations nettement plus dynamiques. Nous abordons ensuite la conception computationelle dont le but est d'exploiter l'outils computationnel dans le but d'améliorer le processus de conception. Plus précisément, nous examinons l'analyse de sensibilité, qui calcule les sensibilités du résultat de la simulation par rapport aux paramètres de conception afin d'optimiser automatiquement la conception. Dans ce contexte, nous présentons une méthode efficace de calcul de la direction de recherche de Gauss-Newton, en tirant parti des solveurs linéaires directs épars modernes. Notre méthode réduit considérablement le coût de calcul du processus d'optimisation pour une certaine classe de problèmes de conception inverse. Enfin, nous examinons l'optimisation de la topologie à l'aide de techniques d'apprentissage automatique. Nous posons deux questions : Pouvons-nous faire de l'optimisation topologique sans maillage et pouvons-nous apprendre un espace de solutions d'optimisation topologique. Nous appliquons des représentations neuronales implicites et obtenons des résultats structurellement sensibles pour l'optimisation topologique sans maillage en guidant le réseau neuronal pendant le processus d'optimisation et en adaptant les méthodes d'optimisation topologique par éléments finis. Notre méthode produit une représentation continue du champ de densité. De plus, nous présentons des espaces de solution appris en utilisant la représentation neuronale implicite. / Computer-aided design (CAD), visual effects, robotics and many other fields such as computational biology, aerospace engineering etc. rely on the solution of mathematical problems. In most cases, computational methods are used to solve these problems. The choice and construction of the computational method has large impact on the results and the computational efficiency. The structure of the problem can be used to create methods, that are faster and produce qualitatively better results than methods that do not use the structure. This thesis presents three articles with three new computational methods tackling partial differential equation (PDE) constrained simulation and optimization problems. In the first article, we tackle the problem of energy dissipation of common fluid solvers in visual effects. Fluid solvers are ubiquitously used to create effects in animated shorts and feature films. We present a time integration scheme for incompressible fluid dynamics which preserves energy better than many previous methods. The presented method has low overhead and can be integrated into a wide range of existing methods. The improved energy conservation leads to noticeably more dynamic animations. We then move on to computational design whose goal is to harnesses computational techniques for the design process. Specifically, we look at sensitivity analysis, which computes the sensitivities of the simulation result with respect to the design parameters to automatically optimize the design. In this context, we present an efficient way to compute the Gauss-Newton search direction, leveraging modern sparse direct linear solvers. Our method reduces the computational cost of the optimization process greatly for a certain class of inverse design problems. Finally, we look at topology optimization using machine learning techniques. We ask two questions: Can we do mesh-free topology optimization and can we learn a space of topology optimization solutions. We apply implicit neural representations and obtain structurally sensible results for mesh-free topology optimization by guiding the neural network during optimization process and adapting methods from finite element based topology optimization. Our method produces a continuous representation of the density field. Additionally, we present learned solution spaces using the implicit neural representation.

Les modèles numériques d'océans régionaux tridimensionnels sont basés sur la résolution des équations primitives et utilisent pour la plupart des méthodes de résolution eulérienne de type différences finies sur des grilles décalées. Ces modèles doivent représenter fidèlement les transports et transferts d'énergie. L'amélioration de ces modèles numériques exige donc (i) l'identification des processus prépondérants, notamment en terme de dissipation, dans ces transferts et (ii) la construction de méthodes numériques respectant un certain nombre d'équilibres. La première partie du travail se concentre sur la propagation des ondes externes et internes de gravité. Nous nous intéresserons en premier lieu à la stabilité de la séparation en mode rapide (barotrope) et lents (baroclines) et montrons qu'elle peut être ameliorée en levant certaines hypothèses traditionnellement effectuées. Dans un second temps, nous étudions l'impact de la discrétisation (ordre des schémas, grilles décalées ou non) sur la propagation des ondes internes de gravité provenant du couplage vitesse pression. Une décomposition en modes verticaux nous permet également de proposer un schéma espace temps très efficace. La seconde partie étudie en détail les schémas d'advection de quantité de mouvement et de traceurs, tout particulièrement dans l'objectif d'une réduction de la diffusion diapycnale (diffusion dans les directions orthogonales aux couches de densité constante). Ce travail nous amène tout d'abord à porter notre attention sur les schémas d'advection verticaux souvent négligés au regard de la dimension horizontale. Les bonnes propriétés d'un schéma compact (et de ses variantes espace temps et monotones) sont mises en avant. Enfin nous analysons le comportement multidimensionnel de ces schémas d'advection. / Three-dimensional regional ocean numerical models are based on solving the primitive equations and mostly use Eulerian finite differences methods of resolution on staggered grids. These models must accurately represent transports and energy transfers. Improving these numerical models therefore requires (i) the identification of predominant process, particularly in terms of dissipation in these transfers and (ii) the construction of numerical methods respecting a number of balances. The first part of the work focuses on the propagation of external and internal gravity waves. We focus primarily on the stability of the separation in fast mode (barotropic) and slow (baroclinic) and show that it can be improved by removing certain assumptions traditionally made. In a second step, we study the impact of the discretization (order of schemes, staggered grids or not) on the propagation of internal gravity waves coming from the coupling velocity pressure. A decomposition into vertical modes also allows us to offer a highly effective space-time scheme. The second part examines in detail the numerical advection schemes of momentum and tracers, especially with the aim of reducing the diapycnal diffusion (diffusion in the orthogonal direction of constant density layers). This work leads us first to focus our attention on the vertical advection schemes often overlooked in front of the horizontal dimension. The good properties of a compact schema (and its space-time and monotonous variants ) are highlighted. Finally we analyze the multidimensional behavior of these advection schemes.

O objetivo desse trabalho consiste no estudo de métodos de identificação de parâmetros em problemas envolvendo a equação de advecção-difusão 2D. Essa equação é resolvida utilizando o método dos volumes finitos, sendo empregada métodos de reconstrução de alta ordem em malhas não-estruturadas de triângulos para calcular os fluxos nas faces dos volumes de controle. Como ferramenta de busca dos parâmetros é empregada a técnica baseadas em gradientes, sendo os mesmos calculados utilizando processos baseados em métodos adjuntos. / The aim of this work concern to study parameter identification methods on problems involving the advection-diffusion equation in two dimensions. This equation is solved employing the finite volume methods, and high-order reconstruction methods, on triangle unstructured meshes to solve the fluxes across the faces of control volumes. As parameter searching tool is employed technicals based on gradients. The gradients are solved using processes based on adjoint methods.

Devido aos riscos de contaminação dos recursos naturais solo e água, ao alto custo, ao tempo e ao esforço humano nas investigações de campo, os modelos matemáticos, aliados às técnicas numéricas e aos avanços computacionais, constituem uma ferramenta importante na previsão do deslocamento de solutos, contribuindo assim, para o controle de alterações ambientais. No Brasil, a modelação de fluxo e transporte de solutos na zona não-saturada é voltada, quase que exclusivamente, aos problemas relacionados às atividades agrícolas. Entretanto, tão importante quanto a problemática dos produtos químicos nas atividades agrícolas é a questão de poluição e contaminação do solo e da água por chorume, gerado pelos resíduos sólidos domiciliares. Neste trabalho, é desenvolvido e validado um modelo computacional unidimensional para simulação de fluxo e transporte de solutos na zona não-saturada do solo. O modelo matemático é dado pela equação diferencial parcial não-linear de Richards, que rege o movimento de água no solo, e a equação diferencial parcial linear de advecção-dispersão, do transporte de solutos, acompanhadas das condições iniciais e de contorno. A equação de Richards é dada em função do potencial matricial da água e a equação de transporte de solutos estima a evolução temporal da concentração de solutos no perfil do solo. Devido à dificuldade de se obter soluções analíticas destas equações, são resolvidas numericamente pelo método de elementos finitos. As referidas equações são resolvidas utilizando-se malhas uniformes inicialmente. Com a finalidade de obter simulações mais eficientes, a um custo computacional reduzido, é empregada a adaptatividade com refinamento h na malha de elementos finitos. A função interpolação polinomial utilizada é de grau 2 ou maior que garante a conservação de massa. Na equação de Richards, a derivada temporal é aproximada por um quociente de diferença finita e é aplicado o esquema de Euler explícito e na equação de advecção-dispersão, é aproximada por um quociente de diferença finita, aplicando-se o esquema de Euler implícito, devido à linearidade da equação. O sistema operacional é o Linux Ubuntu 32 bits, o ambiente de programação é o PZ, escrito em linguagem de programação C++. Na validação do modelo, utilizam-se dados disponíveis na literatura. Os resultados são comparados, utilizando-se malhas uniformes e malhas adaptativas com refinamento h. Usando-se as malhas uniformes para o problema de Richards e de transporte de potássio, o tempo de execução é de 22 minutos e a memória utilizada de 6164 Kb. Com as malhas adaptadas, o tempo de execução é de 3 minutos e 27 segundos, consumindo 5876 Kb de memória. Houve, portanto, uma redução de 84,32% no tempo de execução, usando-se malhas adaptativas. A utilização da função interpolação polinomial de grau 2 ou maior e o refinamento h, permitem uma boa concordância do modelo na comparação com soluções disponíveis na literatura. / Due to the risks of contamination of soil and water resources, the high cost, time and human effort in the field investigations, the mathematical models, combined with numerical techniques and computational advances, are important tools in forecasting the movement of solutes thereby contributing to the control of environmental alteration. In Brazil, modeling of flow and solute transport in the unsaturated zone is focused, almost exclusively, on problems related to agricultural activities. However, as important as the problematical of chemicals products in agricultural activities is the issue of pollution and contamination of soil and water by leachate, generated by municipal solid wastes. In this work, an one-dimensional computational model for simulation of flow and solute transport in the unsaturated soil has been developed and validated. The mathematical model is given by the Richards\'s non-linear partial differential equation, which determines the movement of water in the soil, and the advection-dispersion linear partial differential equation, of the solute transport, together with initial and boundary conditions. The Richards equation is a function of the water pressure head and the solute transport equation estimate the temporal evolution of the solutes concentration in the soil profile. Due to the difficulty of obtaining analytical solutions of these equations, they are solved numerically using the finite element method. The governing equations are solved using initially a uniform mesh. In order to obtain more efficient simulations with low computational cost, adaptativity with h refinement on the finite element mesh is implemented. The interpolation function is of degree two or higher, assuring mass conservation. In Richards\' equation, the temporal derivative is approximated by Euler explicit finite difference. For the advection-dispersion equation, due to the linearity of the equation, an implicit finite difference scheme is used. The code is written in the programming language C++ based on the programming environment PZ using operating system Linux Ubuntu 32 bit. Model results are validated in comparison with data available in the literature. The results are evaluated using uniform meshes and with h refinement adaptive mesh. Using the uniform meshes for the problem of Richards and transport of potassium, the running time is 22 minutes and 6164 Kb of memory is used. With the adapted meshes, the execution time is 3 minutes and 27 seconds, consuming 5,876 Kb of memory. Therefore there was a reduction of 84.32% in execution time, using adaptive meshes. The interpolation function with degree two or higher and the h refinement, with reduction of the computation time, showed a good agreement in comparison with the literature.

O objetivo desse trabalho consiste no estudo de métodos de identificação de parâmetros em problemas envolvendo a equação de advecção-difusão 2D. Essa equação é resolvida utilizando o método dos volumes finitos, sendo empregada métodos de reconstrução de alta ordem em malhas não-estruturadas de triângulos para calcular os fluxos nas faces dos volumes de controle. Como ferramenta de busca dos parâmetros é empregada a técnica baseadas em gradientes, sendo os mesmos calculados utilizando processos baseados em métodos adjuntos. / The aim of this work concern to study parameter identification methods on problems involving the advection-diffusion equation in two dimensions. This equation is solved employing the finite volume methods, and high-order reconstruction methods, on triangle unstructured meshes to solve the fluxes across the faces of control volumes. As parameter searching tool is employed technicals based on gradients. The gradients are solved using processes based on adjoint methods.

Depuis le milieu des années 90, la minéralisation in situ du CO2 est envisagée comme une solution durable et efficace pour limiter ses émissions anthropiques vers l'atmosphère. Il s'agit de récupérer le CO2 émis par certaines industries pour le piéger en profondeur sous forme minérale (carbonates) dans les aquifères mafiques et ultramafiques naturels (de type basaltes et péridotites). La carbonatation du CO2 a été largement décrite dans les systèmes naturels où elle apparait à travers une série de réactions chimiques couplées au transport des espèces réactives dans le fluide. Plusieurs expériences en réacteurs fermés ont été menées depuis une quinzaine d'années afin de mieux comprendre les paramètres physico-chimiques contrôlant ces réactions. Mais très peu d'études n'ont encore caractérisé les processus de transport-réactif au cours de l'injection et de la minéralisation in situ du CO2 dans ces roches.Ces travaux visent à répondre à 3 principaux objectifs : (i) caractériser l'évolution des chemins réactifs lors de l'injection de CO2 dans des roches (ultra-)mafiques, (ii) mesurer les effets en retour des réactions sur les propriétés hydrodynamiques du milieu et (iii) quantifier le rendement et la pérennité des processus sur le long terme. Ils s'appuient sur le développement de protocoles expérimentaux pour (i) reproduire l'injection de CO2 dans les roches (ultra-)mafiques et (ii) caractériser les réactions à l'aide d'une série d'outils géochimiques et analytiques de l'échelle atomique à centimétrique. Trois séries d'expériences de percolation réactive ont été réalisé sur des agrégats (ultra-)mafiques relativement simples (olivines de San Carlos et d'Hawaii) et plus complexes (basaltes de Stapafell) dans des conditions de P-T-confinement in situ (Ptot=10-25 MPa ; T=180-185°C;Pconf=15-28 MPa).Les résultats obtenus ont permis de différencier plusieurs chemins réactifs dans ces systèmes en fonction du transport du fluide, de la porosité du milieu, des hétérogénéités locales de la roche, de la minéralogie et/ou des variations locales de la composition chimique du fluide. Les calculs du bilan de masse ont révélé une minéralisation efficace du CO2 contrôlée par les propriétés chimiques et hydrodynamiques du milieu. Mais certaines réactions associées à l'altération des roches (ultra-)mafiques (hydratation) ont des effets en retour négatifs sur les propriétés réservoirs de la roche (porosité, perméabilité) pouvant compromettre la pérennité du stockage du CO2 dans les aquifères naturels sur le long terme.Ces nouvelles données permettront aux modèles numériques de mieux simuler la carbonatation des roches (ultra-)mafiques en connaissant les propriétés hydrodynamiques du milieu et les hétérogénéités structurales du réservoir. Elles suggèrent aussi qu'un meilleur contrôle de certains paramètres d'injection, comme le débit ou la composition du fluide injecté (ex: pCO2), permettrait d'améliorer le taux et le rendement de la carbonatation. / Since the mid-90s, in situ mineralization of CO2 has been considered as a safe and efficient solution to mitigate its anthropogenic emissions to the atmosphere. It is to recover the CO2 emitted by some industries and trap it in the mineral form (carbonates) in mafic and ultramafic aquifers (e.g. basalts and peridotites). The carbonation of CO2 has been widely described in natural systems where it occurs through a series of complex chemical reactions coupled to the transport of reactive species in the fluid. Numerous experiments have been conducted in batch reactors over the past fifteen years to better understand the physico-chemical parameters controlling the carbonation of (ultra-)mafic rocks. But few studies have further characterized the coupling reactive-transport processes during the injection and in situ mineralization of CO2 in these rocks.This work aims to meet 3 main objectives: (i) characterize changes in reaction paths during the injection of CO2 in (ultra-)mafic systems, (ii) measure the feedbacks effects of chemical reactions on the hydrodynamic rock properties and (iii) quantify the efficiency and sustainability of such processes over long time periods. It is based on the development of experimental protocols to (i) reproduce the injection of CO2 into (ultra-)mafic rocks and (ii) characterize the reactions using a series of geochemical and analytical tools from the atomic to the centimetric scale. Three series of reactive percolation experiments have been performed on (ultra-)mafic aggregates from relatively simple (olivines from San Carlos and Hawaii) to more complex samples (basalts from Stapafell) under in situ P-T-containment conditions (Ptot=10-25 MPa; T=180-185°C; Pcont=15-28 MPa).The results allowed us to differentiate several reactions paths in these systems depending on the fluid transport, rock porosity, local hydrodynamic properties, mineralogy and/or local changes in the fluid composition. Mass balance calculations have revealed an efficient mineralization of CO2 in the samples. It is controlled by the chemical and the hydrodynamic properties of the rock at the pore scale. But some reactions associated with the alteration of (ultra-)mafic rocks (e.g. hydration) have negative feedbacks effects on the reservoir rock properties (porosity and permeability) that may compromise the sustainability of CO2 storage in natural aquifers in the long term.These new supporting data will allow numerical models to better simulate the carbonation of (ultra-)mafic rocks knowing the hydrodynamic properties and the structural heterogeneities of the reservoir. They also suggest that a better control of some injection parameters, such as the flow injection rate and the injected fluid composition (e.g. pCO2), would improve the rate and yield of CO2 mineralization in these systems.

Cette thèse répond au besoin de mieux maîtriser la durabilité des structures en béton armé exposées aux embruns d.eau de mer ou aux projections de sels de déverglaçage, en proposant une modélisation de la pénétration des ions chlorure dans les matériaux cimentaires lors des cycles de séchage- imbibition. Ce modèle tient compte de la cristallisation des sels, de la fixation des ions chlorure par les constituants solides de la pâte de ciment et plus généralement des interactions physico- chimiques entre les ions et la matrice cimentaire. Ces dernières sont basées sur l'équilibre chimique de la solution interstitielle avec les aluminates tricalciques (C3A), la portlandite (Ca(OH)2), et les sels de Friedel (3CaO.Al2O3.CaCl2.10H2O) et l'adsorption des ions chlorure sur les feuillets de C-S- H par substitution des l'ion hydroxyle. Cette description physico-chimique des interactions a permis de mettre en évidence que les isothermes de fixation des ions chlorure, mesurés expérimentalement, sont l'addition d'une partie dépendant seulement des teneurs initiales en composants solides issues de l'hydratation du ciment et d'une partie dépendant seulement de la nature intrinsèque des C-S-H produits. La pertinence de cette description est démontrée en comparant les résultats du modèle avec ceux de nombreux d'essais effectués sur plusieurs matériaux en conditions saturées issus de la littérature. L'extension de ce modèle d'interaction aux conditions non saturées n'introduit aucune donnée supplémentaire. Le reste du travail l'a démontré à travers la modélisation et la simulation de nombreux essais de séchage, d'imbibition ou de cycles d'imbibition-séchage sur des matériaux de construction ou cimentaires de caractéristiques différentes. Cette dernière partie a permis de mettre en évidence plusieurs phénomènes importants à prendre en compte tels que l'effet de la force ionique de la solution sur les courbes capillaires du matériau ou le colmatage des pores dû à la cristallisation du chlorure de sodium. Enfin le modèle a servi à expliquer les mécanismes physiques à l'origine de certains phénomènes observés lors du séchage et de l'imbibition de matériaux poreux en présence de sels.

La migration des gaz dans les roches résulte de processus naturels et artificiels. Sa compréhension intéresse en particulier le Traité d'interdiction complète des essais nucléaires (Tice), afin d'améliorer la détection des explosions nucléaires souterraines par la mesure des gaz radioactifs. Ces travaux s'inscrivent également dans de nombreux domaines des Sciences de la Terre, tant fondamentaux qu'appliqués. Les principaux enjeux de l'amélioration de la détection et de la compréhension de la migration des gaz dans les milieux géologiques sont les suivants: quels sont les moteurs de la migration des gaz d'une source en profondeur vers la surface? Quelle proportion des gaz produits en profondeur arrive-t-elle en surface? Cette migration entraîne-t-elle des délais temporels entre la production et l'arrivée en surface? Pour répondre à ces questions, nous nous sommes attachés dans cette thèse à identifier les mécanismes de transport des gaz dans les roches fracturées, à partir d'expériences en site naturel et de simulations numériques. Le Laboratoire Naturel de Roselend (Savoie) est un cadre privilégié pour l'étude de la migration des gaz en zone non saturée à une échelle représentative des processus naturels. Les paramètres du milieu géologique ainsi que les forçages extérieurs y ont été déterminés. Un tunnel et une chambre isolée, à 55 m de profondeur, ainsi que de nombreux forages, en profondeur et en surface, permettent de mesurer les gaz présents au cœur de la roche. Les propriétés pneumatiques du milieu, perméabilité et porosité, ont été déterminées à des échelles allant de 1 m à 55 m à partir de tests d'injection pneumatique et de mesures des fluctuations de pression, ainsi que de modélisations numériques de l'écoulement des fluides dans les milieux poreux. Une approche de modèle inverse a permis en outre d'estimer les incertitudes associées. Les résultats soulignent la forte hétérogénéité spatiale du milieu fracturé. La dynamique naturelle de trois gaz, CO2, SF6 et 222Rn, a été mesurée en continu pendant plus d'un an. Les résultats, interprétés à l'aide de modélisations numériques, ont mis en évidence que les mécanismes qui contrôlent l'évolution naturelle, ou ligne de base, des gaz sont les fluctuations de la pression atmosphérique et les mouvements d'eau. Ces mouvements d'eau sont également à l'origine des anomalies de concentration en gaz observées dans le tunnel. Deux expériences de traçage ont été réalisées à l'échelle de 55 m entre la chambre isolée et un forage horizontal situé en surface. Du SF6 a d'abord été injecté avec une surpression de 167 mbar, puis de l'hélium-3 un an plus tard avec une surpression de seulement 20 mbar. Le suivi des traceurs en surface a été maintenu pendant plus d'un an après leurs injections. Une percée rapide des traceurs (de 10 à 50 h) a été observée en surface, mais avec une dilution forte, d'un facteur 10^4 à 10^6. Elle est expliquée par l'advection des gaz dans un petit nombre de fractures, sous l'effet des surpressions même modestes qui accompagnent l'injection. Dans les mois qui suivent l'injection, les traceurs migrent plus lentement dans l'ensemble du réseau de fractures, sous l'effet du pompage barométrique. Ces mécanismes de transport, identifiés et quantifiés, sont à prendre en compte dans une chaîne d'analyse complète prenant en compte les interactions des gaz avec la géosphère afin d'améliorer la détection des explosions nucléaires souterraines par les gaz radioactifs.

The present work was written as a cumulative dissertation based on peer-reviewed papers and is completed by yet unpublished results. The overall objective was to get a deeper insight into the role of the advective fluxes of sensible heat and latent heat in relation to the energy balance and its imbalance at the earth’s surface (typically the sum of the turbulent fluxes sensible and latent heat does not match the available energy). Data from two advection experiments at four coniferous sites across Europe served as the basis for the analysis. One was the advection experiment MORE II which took place in Tharandt (Germany) and the other advection experiment ADVEX was conducted at three different sites (Ritten/Renon, Italy; Wetzstein, Germany; Norunda, Sweden). An inspection of the available energy (AE) that is redistributed to the atmosphere by the sensible heat flux (H) and latent heat flux (LE) showed that the uncertainty of the available energy itself cannot explain the lack of energy balance closure for these four sites. The mean absolute uncertainty of the available energy was largest during midday and ranged from 41 W m-2 to 52 W m-2 (approx. 12 % of AE). During nighttime, the mean absolute uncertainty was smaller (20 W m-2 – 30 W m-2) but the relative uncertainty was much larger as AE itself is small. Among the investigated storage terms the heat storage change of the biomass was most important. The energy balance closure was improved for all investigated sites when storage terms were included. In principle, storage terms should not be neglected in energy balance studies. An investigation of the budget of sensible heat, not only including the vertical advection and the horizontal advection but also the horizontal turbulent flux divergence, was undertaken for the coniferous site at Tharandt. Inclusion of these fluxes resulted in an enlarged mean daily amplitude and suggests an improvement of the energy balance closure, at least during nighttime. The commonly determined budget (vertical turbulent flux plus storage change) was reduced by about 30 % when advective fluxes were included. Results suggest that the horizontal turbulent flux divergence is of minor importance but further studies are needed for an overall evaluation. First results for the inclusion of the advective fluxes of both sensible heat and latent heat indicate that the lack of energy balance closure is partly reduced but the imbalance still exists. Advective fluxes of sensible heat were also compared to advective fluxes of CO2. It became apparent that the advective fluxes of sensible heat and CO2 are, on average, of opposite sign during nighttime and both share large scatter. Both budgets (sensible heat and CO2) were considerably changed (although differently for different sites) when advective fluxes were included. Results further suggest that advective fluxes of H can be taken as an indicator concerning the presence and sign of advection of CO2. This points towards a coincident non-turbulent transport of heat and CO2. However, all investigated advective fluxes are site-specific. They are characterised by a large uncertainty due to uncertainties in the mean vertical velocity (vertical advection) and in the horizontal differences in scalar magnitude (horizontal advection). Obviously, they are influenced by the limitations of the experimental set-up (spatial resolution) and the local characteristics of the individual measurements. An overall evaluation of advective fluxes with respect to their representativeness and magnitude requires further studies / Die vorliegende Arbeit wurde als kumulative Dissertation verfasst, die auf begutachteten Publikationen beruht. Sie wird um bisher nicht veröffentlichte Daten zur Advektion latenter Wärme ergänzt. Ziel war es, vor allem die Rolle der advektiven Flüsse von sensibler und latenter Wärme in Bezug auf die Energiebilanz und das Problem der Energiebilanzschließung an der Erdoberfläche näher zu untersuchen. Unter der Energiebilanzschließungslücke wird im Allgemeinen das Phänomen verstanden, dass die Summe der gemessenen turbulenten Flüsse von sensibler und latenter Wärme zumeist nicht der gemessenen verfügbaren Energie entspricht. Als Datengrundlage für die Arbeiten dienten hierzu die Datensätze von zwei Advektionsexperimenten, die an vier verschiedenen Nadelwaldstandorten in Europa stattfanden. Das erste dieser Advektionsexperimente MORE II fand an der Ankerstation Tharandt (Deutschland) statt und das zweite (ADVEX) wurde an drei verschiedenen Standorten durchgeführt (Ritten/Renon, Italien; Wetzstein, Deutschland; Norunda, Schweden). Eine Untersuchung der verfügbaren Energie (AE), die über den sensiblen Wärmestrom (H) und den latenten Wärmestrom (LE) wieder an die Atmosphäre abgegeben wird, zeigte, dass die in der Bestimmung der verfügbaren Energie liegende Unsicherheit das Problem der Energiebilanzschließungslücke nicht ausreichend erklärt. Die mittlere absolute Unsicherheit der verfügbaren Energie war dabei mittags am größten (41 W m-2 – 52 W m-2; ca. 12 % der verfügbaren Energie). Nachts war diese kleiner (20 W m-2 – 30 W m-2). Jedoch waren dann die relativen Unsicherheiten deutlich größer, da die verfügbare Energie nachts klein ist. Von den betrachteten Speichertermen der Energiebilanz erwies sich die Speicheränderung von Wärme in der Biomasse als am wichtigsten. Für die vier untersuchten Standorte verbesserte sich die Energiebilanzschließung, wenn die Speicherterme mit einbezogen wurden. Grundsätzlich sollten alle Speicherterme bei der Bestimmung der Energiebilanz mit beachtet werden. Für den Nadelwaldstandort Tharandt wurde die Bilanz der sensiblen Wärme unter Beachtung der advektiven Flüsse und der horizontalen turbulenten Flussdivergenz erstellt. Die Einbeziehung der advektiven Flüsse und der horizontalen turbulenten Flussdivergenz führte zu einer Vergrößerung der Amplitude im mittleren Tagesgang und deutet auf eine Verbesserung der Energiebilanzschließung zumindest nachts hin. Im herkömmlichen Sinne wird die Bilanz für Energie oder Massenflüsse als Summe aus vertikalem turbulenten Fluss und Speicheränderung bestimmt. Die Gesamtsumme dieser Bilanz wurde um 30 % reduziert, wenn die advektiven Flüsse mit einbezogen wurden. Hinsichtlich der horizontalen turbulenten Flussdivergenz kann man noch keine abschließende Einschätzung geben. Die vorliegenden Ergebnisse deuten einen vernachlässigbaren Anteil an der Gesamtbilanz für diesen Term an. Erste Ergebnisse für die Bestimmung der Energiebilanz von Nadelwäldern unter Beachtung der advektiven Flüsse von sensibler und latenter Wärme zeigen eine teilweise Reduzierung der Energiebilanzschließungslücke, jedoch keine vollständige Schließung der Energiebilanz. Weiterhin wurden die advektiven Flüsse sensibler Wärme mit denen von CO2 verglichen. Die Bilanzen für den CO2-Fluss als auch für den Fluss sensibler Wärme änderten sich deutlich unter Einbeziehung der advektiven Flüsse, wenn auch unterschiedlich für verschiedene Standorte. Besonders nachts sind die advektiven Flüsse von sensibler Wärme und CO2 im Mittel durch gegensätzliche Vorzeichen gekennzeichnet. Diese Beziehung eröffnet die Möglichkeit, advektive Flüsse von CO2 auf der Basis von advektiven Flüssen sensibler Wärme hinsichtlich ihres Vorhandenseins und ihrer Richtung abzuschätzen. Dies deutet auf einen gleichzeitigen nicht-turbulenten Transport von Wärme und CO2 hin. Generell ist festzustellen, dass alle untersuchten advektiven Flüsse spezifisch für den jeweiligen Standort und durch eine große Unsicherheit gekennzeichnet sind. Diese ergibt sich zum einen aus der mittleren vertikalen Geschwindigkeit (vertikale Advektion) und zum anderen aus den horizontalen Differenzen (horizontale Advektion) der jeweiligen skalaren Größen. Die betrachteten advektiven Flüsse werden offensichtlich durch Einschränkungen, die sich aus dem experimentellen Aufbau ergeben (z.B. begrenzte räumliche Auflösung), in ähnlicher Weise beeinflusst. Eine abschließende Beurteilung der advektiven Flüsse hinsichtlich ihres Anteils an der Gesamtbilanz und ihrer Repräsentativität erfordert weitere Studien.