Knowledge of the surface heat transfer in coastal inlets would permit studies of their thermal structure and circulation. An assessment is made of data available for calculating the surface heat transfer for the coastal regions of British Columbia and S.E. Alaska. Monthly means of meteorological and oceanographic observations for the years 1961 and 1963 are critically examined for their representativness of conditions that exist over the open water. The location of the observation point is found to be important in choosing values for dew point and wind speed. Formulae for calculating surface heat transfer are examined for their potential applicability to a coastal climate. The calculated net annual surface heat transfer is found to be highest in the southern regions, approximately 90 langleys/day in the Strait of Georgia, and to decrease for more northerly regions, to an approximate balance with no net input in northern Chatham Strait. The annual cycle is found to be strongly modified by fine structure, the radiation balance dominating in summer, the convective losses in winter. Comparison of the calculated surface heat transfer with heat storage indicates that the calculations may be accurate to within 20% of the peak values. The range and shape of the surface temperature cycle was found to reflect the influence of advection, and deep water temperature, as well as the surface heat transfer. / Science, Faculty of / Physics and Astronomy, Department of / Graduate

Cette thèse porte sur la modélisation numérique des écoulements ouverts de convection naturelle au sein d'un canal vertical asymétriquement chauffé à flux constant. Elle s'inscrit dans un contexte national de comparaison associant approches numériques (benchmark de la Société Française de Thermique SFT) et expérimentales. La particularité de ce type d'écoulement réside dans le fait que le moteur du mouvement est situé au sein même de l'écoulement, rendant alors difficile la modélisation des interfaces et par conséquent la définition des conditions aux limites à appliquer aux frontières ouvertes du domaine de calcul. Nous proposons ici deux approches numériques de modélisation de ce type d'écoulement. La première approche consiste à inclure à la fois le canal vertical et son environnement extérieur dans le domaine de calcul. Cette approche intègre les interactions canal - environnement extérieur de manière implicite et nous permet d'obtenir une description complète de l'écoulement et ainsi de caractériser les interfaces du canal. Sur la base de ces simulations, des solutions numériques de référence modélisant un écoulement de convection naturelle dans un canal vertical immergé dans un environnement infini sont établies. La deuxième approche consiste à restreindre le domaine de calcul aux limites géométriques du canal. Plusieurs méthodes de résolution et modélisation des interfaces sont alors proposées et comparées avec les solutions de référence précédentes. Une approche originale basée sur des conditions limites de type Robin pour la pression motrice montre ainsi de très bon accords avec les solutions de référence. / This thesis focuses on the numerical modeling of natural convection flows in a vertical channel asymmetrically heated at constant heat flux. It takes place in a national context of comparison of numerical approaches (benchmark of the French Thermic Society SFT) and experimental approaches. The main issues result in the fact that the driving forces lie within the computational domain so inlet and outlet flow cannot be a priori prescribed. Therefore it is difficult to model the interfaces and to prescribe boundary conditions at the open frontiers of the computational domain. We propose two numerical approaches for modeling this type of flow. In the first approach the numerical domain includes the vertical channel and its external surroundings in the computational domain. This approach implicitly integrates interactions between the channel and its external environment. This allows us to obtain a complete description of the flow and thus to characterize the channel interfaces. Based on these simulations, numerical reference solutions which are modeling a natural convection flow in a vertical channel immersed in a infinite environment are established. In the second approach the computational domain is restricted to the geometric limits of the channel. Several methods for the numerical resolution and for modeling of the interfaces are proposed and then compared with the previous reference solutions. An original modeling based on Robin boundary conditions for the driving pressure is described and shows very good agreement with the reference solutions.

La convection de Marangoni est un phénomène hydrodynamique qui apparaît en présence d'un gradient de tension de surface le long d'une interface entre deux fluides non miscibles. Il est possible de voir apparaître cette convection, dans les échangeurs de chaleur avec changement de phase, autour des bulles de vapeur. Cependant, la convection de Marangoni a longtemps été négligée devant les autres phénomènes intervenant dans le transfert de chaleur. A l'ère de la miniaturisation, il devient impossible de négliger cette micro convection. Le but de la thèse est donc de caractériser la dynamique d'écoulement de la convection de Marangoni autour d'une bulle. La première partie présente la résultats 2D obtenus autour d'une bulle d'air en présence d'un gradient de température. Ce cas est plus simple à mettre en oeuvre et permet ainsi de se familiariser avec la convection de Marangoni. La seconde partie porte cette fois-ci sur l'étude bidimensionnelle de cette convection autour d'une bulle de vapeur. Les résultats ont montré que le phénomène devenait très rapidement tridimensionnel . La dernière partie présente donc une méthode de mesure optique 3D innovatrice qui permet de connaître la dynamique de l'écoulement dans les trois dimensions et les trois composantes. / The Marangoni convection is a phenomenon that appears in the presence of a tension surface gradient along an interface between two immiscible fluids. It is possible to observe that appear convection around vapor bubbles in the heat exchangers with the phase change. However, the Marangoni convection has been neglected to other phenomena involved in the heat transfer. In the age of miniaturization, it becomes impossible to overlook this micro convection. The aim of this thesis si to characterize the dynamics of Marangoni convection around a bubble. The first part deals with the 2D results around an air bubble in the presence of a temperature gradient. This case is easier to implement and allows having a better knowledge with the Marangoni convection. The second part focuses on the two-dimensional study of the convection around a vapor bubble The results showed that the phenomenon quickly became three-dimensional. The last section therefore presents a method for measuring optical innovative 3D3C.

Ce travail a porté principalement sur le développement et l'étude de méthodes numériques de type éléments finis multi-échelles pour un problème d'advection diffusion multi-échelles dominé par l'advection. Deux types d'approches sont envisagées: prendre en compte l'advection dans la construction de l'espace d'approximation, ou appliquer une méthode de stabilisation. On commence par l'étude d'un problème d'advection diffusion, dominé par l'advection, dans un milieu hétérogène. On poursuit sur des problèmes d'advection-diffusion, sous le régime où l'advection domine, posés dans un domaine perforé. On se focalise ici sur la condition aux bords de type Crouzeix Raviart pour la construction des éléments finis multi-échelles. On considère deux situations différentes selon la condition prescrite au bord des perforations: la condition de Dirichlet homogène ou la condition de Neumann homogène. Cette étude repose sur une hypothèse de coercivité.Pour finir, on se place dans un cadre général où l'opérateur d'advection-diffusion est non coercif, possiblement dominé par l'advection. On propose une approche éléments finis basée sur une mesure invariante associée à l'opérateur adjoint. Cette approche est bien posée inconditionnellement en la taille du maillage. On la compare numériquement à une méthode standard de stabilisation / This work essentially deals with the development and the study of multiscale finite element methods for multiscale advection-diffusion problems in the advection-dominated regime. Two types of approaches are investigated: Take into account the advection in the construction of the approximation space, or apply a stabilization method. We begin with advection-dominated advection-diffusion problems in heterogeneous media. We carry on with advection-dominated advection-diffusion problems posed in perforated domains.Here, we focus on the Crouzeix-Raviart type boundary condition for the construction of the multiscale finite elements. We consider two different situations depending on the condition prescribed on the boundary of the perforations: the homogeneous Dirichlet condition or the homogeneous Neumann condition. This study relies on a coercivity assumption.Lastly, we consider a general framework where the advection-diffusion operator is not coercive, possibly in the advection-dominated regime. We propose a Finite Element approach based on the use of an invariant measure associated to the adjoint operator. This approach is unconditionally well-posed in the mesh size. We compare it numerically to a standard stabilization method

Les instabilités hydrodynamiques en cavité chauffée latéralement jouent un rôle important dans certains processus de fabrication de matériaux tels que le procédé de Bridgman horizontal. En effet, le fluide (métal liquide qui va se solidifier) est le siège d’une circulation thermoconvective due à l’existence d’un gradient de température horizontal qui est susceptible de devenir instationnaire via des instabilités oscillatoires. La connaissance et la maîtrise de ces instabilités sont donc primordiales afin de pouvoir améliorer la qualité des cristaux obtenus par cette technique. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés en premier aux instabilités affectant la circulation convective dans une cavité tridimensionnelle de dimensions 4×2×1. (longueur × largeur × hauteur). Grâce aux techniques numériques de continuation, nous avons pu obtenir les solutions stationnaires et oscillatoires, ainsi que leur stabilité, jusqu’à l’apparition de la quasi-périodicité en fonction du nombre de Grashof Gr et pour un nombre de Prandtl allant de 0 à 0,025. Ensuite, pour un éventuel contrôle des instabilités, nous nous sommes intéressés aux effets induits par la rotation de la cavité. Nous avons tout d’abord considéré un modèle monodimensionnel que nous avons développé durant cette thèse. Ce modèle analytique, bien que simplifié, est en très bon accord avec les observations en dynamique des écoulements atmosphériques (déviation des masses fluides vers la droite de la composante de vitesse dominante et vents thermiques). La stabilité linéaire de cet écoulement est ensuite effectuée en fonction du taux de rotation donné par le nombre de Taylor et du nombre de Grashof pour un nombre de Prandtl allant de 0 à 10. Nous avons pu montrer à travers ce modèle que la rotation possède un caractère stabilisant vis-à-vis de ce type d’écoulement. Enfin, nous nous sommes focalisés sur les effets de la rotation sur l’écoulement pleinement tridimensionnel dans la cavité de dimensions 4×2×1. Nous avons mis en évidence deux régimes d’écoulements : un régime dominé par la convection, où la circulation du fluide est déviée par la rotation dans la diagonale de la cavité, et un deuxième régime dominé par la rotation où la circulation du fluide est concentrée dans les couches limites dites d’Ekman et de Stewartson. Un très bon accord est observé entre le modèle analytique simplifié et la simulation numérique tridimensionnelle. / Hydrodynamic instabilities in laterally heated cavities play an important role in some material processing techniques such as the horizontal Bridgman process. Indeed, the fluid (liquid metal to be solidified) is the seat of a thermoconvective circulation due to the existence of a horizontal temperature gradient which is likely to become unsteady via oscillatory instabilities. The knowledge and the control of these instabilities are thus essential in order to be able to improve the quality of the crystals obtained by this technique. In this thesis, we are first interested in the instabilities of the convective circulation in a three-dimensional cavity of dimensions 4×2×1 (length × width × height). Thanks to the numerical continuation techniques, we were able to obtain the stationary and oscillatory solutions, as well as their stability, until the appearance of the quasi-periodicity according to the Grashof number Gr and for a Prandtl number Pr ranging from 0 to 0.025.Then, the effects induced by a rotation of the cavity around the vertical axis parallel to gravity (for a possible control of the instabilities) are studied and a one-dimensional model developed during this thesis was first considered. This analytical model, although simplified, is in very good agreement with the observations of the atmospheric flows (deviation of the fluid masses towards the right of the component of the dominant velocity and thermal winds). The linear stability of this flow as well as an energy analysis at the thresholds are then performed as a function of the rotation rate given by the Taylor number Ta and the Grashof number Gr for a Prandtl number Pr ranging from 0 to 10. Through this model, we have been able to show that the rotation has a stabilizing effect on this type of flow.We finally focused on the effects of this type of rotation on the steady fully threedimensional flow observed in the cavity 4×2×1 at low Grashof numbers.We have highlighted two flow regimes: a regime dominated by convection where the fluid circulation, deviated by the rotation, occurs in the diagonal of the cavity, and a second regime dominated by rotation where the fluid circulation is concentrated in the so-called Ekman and Stewartson boundary layers. A very good agreement is observed between the simplified analytical model and the three-dimensional numerical simulation.

La subduction est une des principales expressions superficielles de la convection mantellique et représente un ingrédient crucial de la géodynamique globale. Cela affecte différents processus de la Terre comme la génération des méga-tremblements de terre et des volcans explosifs sur la surface ou le recyclage des espèces volatiles dans l’intérieur profond. Malgré son importance, plusieurs aspects de la subduction restent à clarifier.Dans ce travail, nous avons étudié la mécanique et l’énergétique du phénomène en adoptant un modèle numérique 2-D de “subduction libre”, basé sur la méthode des éléments frontière. En interprétant systématiquement nos solutions numériques utilisant la théorie des couches minces visqueuses, nous avons déterminé diverses lois d’échelle décrivant les mécanismes physiques sous-jacents aux différents aspects du phénomène. Deux paramètres adimensionnels se distinguent par leur récurrence dans ces lois d’échelle: i) la résistance (adimensionelle) de l’interface de subduction, qui contrôle la contrainte de cisaillement agissant à l’interface entre les deux plaques et ii) la rigidité de la plaque en subduction, qui décrit la résistance mécanique opposée par cette plaque à la flexion. Ce dernier paramètre est particulièrement important, car il met en évidence l’échelle de longueur qui décrit correctement la déformation en flexion de la plaque en subduction (bending length).En ce qui concerne les aspects énergétiques de la subduction, nous avons également étudié l’effet de la dissipation de l’énergie produite dans les zones de subduction sur la convection du manteau à grande échelle. Nos résultats semblent suggérer que la loi d’échelle classique trouvée dans l’étude de la convection de Rayleigh-Bénard en régime permanent d’une couche de fluide isovisqueux reste généralement valable aussi pour la convection du manteau terrestre.Pour conclure, nous avons mis en place une expérience de convection basée sur le séchage d’une suspension colloidale de nanoparticules de silice. Comme les résultats préliminaires ont montré, grâce à sa rhéologie particulière, ce matériau semble être un candidat prometteur pour la modélisation de la convection mantellique en laboratoire. / Subduction is one of the principal surface expressions of mantle convection and it represents a key ingredient of global geodynamics. It affects Earth processes ranging from the generation of mega-earthquakes and explosive volcanoes at thesurface to the recycling of volatile species back into the deep interior. Yet despite its obvious importance, several aspects of subduction remain to be clarified.In this work we endeavored to shed light on the mechanics and the energetics of the phenomenon adopting of a 2-D numerical model of “free subduction” based on the Boundary-Element Method. Systematically interpreting our numerical solutions in the light of thin viscous-sheet theory, we determined various scaling laws describing the physical mechanisms underlying different aspects of the phenomenon. Two dimensionless parameters stand out for their recurrence in suchscaling laws: i) the (dimensionless) strength of the subduction interface, which controls the shear stress acting at the interface between the two plates and ii) the flexural stiffnes of the subducting plate, which describes the mechanical resistance opposed by such plate to bending. This latter parameter is particularly important as it highlights the length scale that properly describes the bending deformation of the subducting plate (bending length).For what concerns the energetics of subduction, we also investigated the effect of the dissipation of energy occurring at subduction zones on large-scale mantleconvection. Our results seem to suggest that the classical scaling law found in the study of the steady-state Rayleigh-Bénard convection of an isoviscous fluid layer remains generally valid also for Earth’s mantle convection.To conclude, we ran a convection experiment based on the drying of a colloidal suspension of silica nanoparticles. As preliminary results have shown, thanksto its particular rheology, this material seems to be a promising candidate for effective laboratory modeling of mantle convection.

Cette thèse est consacrée à une analyse de l'activité d'éclairs des systèmes orageux en Afrique équatoriale (10°E - 35°E ; 15°S - 10°N) sur la période de temps 2005-2013. Tout d'abord, les données fournies par le réseau global de détection d'éclairs WWLLN (World Wide Lightning Location Network) ont été comparées à celles obtenues par le capteur optique spatial LIS (Lightning Imaging Sensor) afin d'estimer l'efficacité de détection relative du WWLLN. Ensuite, elles ont permis d'établir une climatologie régionale à haute résolution de l'activité d'éclairs. Enfin, elles ont été associées à des données sur les caractéristiques nuageuses et météorologiques pour des études de cas d'orages dans différentes situations, afin d'examiner les corrélations entre activité d'éclairs, activité orageuse, caractéristiques nuageuses et conditions météorologiques. La méthode adaptée pour estimer l'efficacité de détection du WWLLN dans la zone d'étude a permis d'obtenir des valeurs compatibles avec celles trouvées dans d'autres régions du monde, et de mettre en évidence une variabilité spatio-temporelle qui aide à l'interprétation des changements affectant plusieurs paramètres de l'activité d'éclairs. La climatologie réalisée dévoile des caractéristiques originales de l'évolution temporelle et de la distribution spatiale de l'activité d'éclairs, notamment celles d'un maximum très aigu dans l'Est de la République Démocratique du Congo. Ainsi, la localisation, les dimensions, la forme, la persistance saisonnière et l'environnement de ce maximum ont été précisés. La distribution zonale des éclairs montre une forte proportion dans la bande tropicale sud, liée au maximum principal mais aussi à une forte activité étalée longitudinalement et constituant un large maximum secondaire où l'activité orageuse est plus variable spatialement d'une année à l'autre, temporellement d'une saison à l'autre, et où le cycle diurne est moins marqué.[...] / This thesis is devoted to an analysis of the lightning activity of storm systems in Equatorial Africa (10°E-35°E; 15°S-10°N) over the period 2005-2013. Firstly, data from the World Wide Lightning Location Network (WWLLN) were compared with those from the Lightning Imaging Sensor (LIS) to estimate the relative detection efficiency of the WWLLN. Then, they established a high-resolution regional climatology of lightning activity. Finally, they were combined with data on cloud and meteorological characteristics to carry out thunderstorm case studies in different situations in order to examine the correlations between lightning activity, storm activity, cloud characteristics and meteorological conditions. The appropriate method introduced for estimating the WWLLN detection efficiency in the study area provides values ??consistent with those found in other regions of the world. Its spatial and temporal variability helps to interpret changes affecting several parameters of lightning activity. The climatology realized reveals original characteristics of the temporal evolution and the spatial distribution of the lightning activity, in particular those of a very sharp maximum in the Eastern Democratic Republic of Congo. Thus, the location, the dimensions, the shape, the seasonal persistence and the environment of this maximum have been specified. The zonal distribution of lightning shows a high proportion in the southern tropical band, linked to the principal maximum but also to a high activity spread out longitudinally and constituting a large secondary maximum where the storm activity is more spatially variable from one year to another, temporally from one season to another, and where the diurnal cycle is less marked. [...]

Dans la configuration de Rayleigh-Bénard, on considère une fine couche de fluide placée entre deux parois horizontales, chauffée par le bas et refroidie par le haut. Cette couche peut être le siège d'une instabilité si le gradient thermique est suffisamment important : on passe alors de l'état conductif à l'état convectif et on parle de bifurcation primaire pour qualifier cette première transition. Cette mise en mouvement du fluide se fait de manière ordonnée : on constate ainsi l'émergence de différents motifs de convection comme des rouleaux, des carrés ou encore des hexagones. Ces structures vont à leur tour subir des instabilités qualifiées de secondaires qui vont limiter la gamme de nombres d'onde stables. On étudie ici théoriquement ces instabilités d'une part à proximité du seuil de la convection grâce à une approche faiblement non linéaire, d'autre part loin des conditions critiques grâce à une approche fortement non linéaire. Le fluide est rhéofluidifiant, ce qui correspond au comportement rhéologique le plus fréquemment rencontré, et est décrit par le modèle de Carreau. À proximité du seuil, on considère deux situations : la première correspond au cas où les plaques ont une conductivité finie, la seconde à celui d'un fluide thermodépendant. Dans chaque cas, l'influence du caractère rhéofluidifiant sur la nature du motif émergeant à la bifurcation primaire et sur les instabilités secondaires est mise en évidence. Pour étudier les motifs de convection loin des conditions critiques, on a recours à une procédure de continuation permettant de déterminer de proche en proche les caractéristiques de l'écoulement comme les champs de vitesse ou de température ainsi que le nombre de Nusselt. / In the Rayleigh-Bénard configuration, we consider a thin layer of fluid confined between two horizontal slabs which is heated from below and cooled from above. This layer undergoes an instability if the thermal gradient is strong enough: a transition from the conductive state to the convective state and called _ primary bifurcation _occurs. Moreover, it happens in an ordered way: we can notice the emergence of various convection patterns such as rolls, squares or hexagons. In their turn, these patterns undergo _ secondary instabilities _ that limit the range of stable wavenumbers. These instabilities are studied theoretically _firstly near the threshold thanks to a weakly nonlinear approach, and secondly far from critical conditions thanks to a strongly nonlinear approach. We consider a shear thinning fluid, the most common rheological behavior, which is described by the Carreau model. Near the threshold, two situations are considered: the first corresponds to finite conductivity plates, the second corresponds to a thermodependent fluid. In each case, the influence of the shear thinning effect on the nature of the pattern emerging at the primary bifurcation and on secondary instabilities is highlighted. To study the convection patterns far from the critical conditions, a continuation procedure is used to determine, step-by-step, the characteristics of the flow, such as the velocity or temperature fields and the Nusselt number.

La complexité du climat repose en grande partie sur le cycle de l'eau. Dans les tropiques,l'eau atmosphérique est un paramètre clef,60% des précipitations globales ont lieu dans lestropiques. La compréhension du cycle de l'eau atmosphérique à l'échelle globale passe par l'utilisation d'observations satellites. Le satellite franco indien Megha-Tropiques, lancé en 2011, permet d'étudier pour la première fois des observations simultanées de l'humidité et de la pluie. La première partie de la thèse consiste en l'étude de l'impact d'un cyclone sur son environnement. Pour cela, un cas d'étude a été sélectionné (typhon Bopha) et undiagnostique a été réalisé pour étudier la production/ consommation d'humidité et de chaleur dans le typhon. La seconde partie de la thèse consiste en l'étude des relations entre les nuages et l'humidité dans la haute troposphère. Cette étude est réalisée au-dessus de l'océan Indien (entre 2011 et 2014) et au-dessus du Sahel (entre 2012 et 2015). / The complexity of the climate depends largely on the water cycle. In the tropics, atmosphericwater is a key parameter, 60% of global rainfall occurs in the tropics. The understandingof the atmospheric water cycle on a global scale need to use satellite observations. The Indo-French satellite Megha-Tropiques, launched in 2011, allows to study for the _rst time simultaneous observations from moisture and rain. The _rst part of the thesis is the study of the impact of a hurricane on its environment. For this, a case study was selected (Typhoon Bopha) and a diagnosis was performed to study the production / consumption of moisture and heat in the typhoon. The second part of the thesis is the study of the relationshipbetween clouds and humidity in the upper troposphere. This study was conducted over the Indian Ocean (between 2011 and 2014) and over the Sahel (between 2012 and 2015).

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