Approved for public release, distribution is unlimited / The objective of this thesis is to investigate the forecastability of optical turbulence using the U.S. Navy's Coupled Ocean Atmosphere Mesoscale Prediction System (COAMPS). First, a detailed synoptic study was performed over the Eastern Pacific region for observation periods in October 2001 and March 2002 to focus on mesoscale features affecting Vandenberg AFB. Second, a modified version of COAMPS version 2.0.16 model output was evaluated to ensure reasonable modeling of the mesoscale. Next, temperature and dewpoint temperature vertical profiles of COAMPS, modified with the Turbulent Kinetic Energy (TKE) Method, were compared with balloon-launched rawinsondes, initially, then with higher resolution thermosondes. Optical turbulence parameters were then calculated from the data and a comparison between synthetic profiles and thermosonde-derived profiles were qualitatively and quantitatively studied. Then the vertical resolution of the model was increased for selected forecasts to determine the potential for forecast improvement. / Lieutenant Commander, United States Navy

Dans la région de Dimbokro-Bongouanou (Centre Est de la Côte d'Ivoire), l'alimentation en eau des populations se fait essentiellement au moyen de puits et forages. Ceux-ci ont été implantés dans les aquifères du socle au cours des différentes campagnes d'hydraulique villageoise mises en place dans ce secteur. L'analyse du taux de réussite et de la productivité de ces forages montre que leur implantation n'a pas toujours été optimale. Afin d'optimiser l'implantation de nouveaux forages, il semble donc nécessaire et primordial de caractériser l'hydrodynamique du socle fracturé. A cette fin, la présente étude procède d'abord à une caractérisation géologique puis hydrogéologique de la région de Dimbokro-Bongouanou. Ensuite, sont élaborés des modèles conceptuels géologiques et hydrogéologiques, qui décrivent la structure de l'aquifère et précisent les propriétés hydrodynamiques de ses différentes couches composites. Ces modèles géologiques et hydrogéologiques permettent de simuler numériquement l'écoulement régional. La caractérisation géologique de la région de Dimbokro-Bongouanou est basée sur une description des différentes formations géologiques de la région ; des hypothèses sur leur mise en place et les cycles d'érosion et d'altération qu'elles ont subis ; et une cartographie des discontinuités régionales par photo-interprétation d'image Radar rehaussée par la technique de filtrages adaptatifs. Les discontinuités identifiées sur l'image rehaussée sont validées à partir d'informations géologiques (données de fracturation mesurées à l'affleurement et données de fracturation relevées sur carte géologique).La caractérisation hydrogéologique de la région de Dimbokro-Bongouanou est basée sur la description des aquifères de la région et l'identification du rôle des discontinuités régionales dans les écoulements souterrains. La technique proposée à cet effet consiste à analyser les corrélations entre le débit des forages et leur distance au linéament le plus proche.Il est ainsi constaté que le débit des forages est inversement proportionnel à la distance à la discontinuité la plus proche. En d'autres termes, plus le forage est proche d'une discontinuité régionale, plus son débit est important. L'interprétation des lithologs, des données géologiques à l'affleurement et des données de résistivités électriques permet de proposer un modèle conceptuel géologique représentatif du profil d'altération type pour chaque domaine géologique de la région. En particulier, le modèle proposé décrit la structuration verticale du profil d'altération pour les trois principales formations géologiques de la région: les granites, les métasédiments et les métavolcanites. La caractérisation de la structure de l'aquifère permet ensuite de proposer un modèle conceptuel hydrogéologique pour chacun des profils d'altération basé sur l'analyse statistique des arrivées d'eau et de l'interprétation des données d'essais par pompage de différents forages. Cela permet d'identifier pour chaque formation les profondeurs de fréquence, de densité et de débit des arrivées d'eau ainsi que les couches du profil associées aux zones de conductivité et de productivité (débit spécifique) élevées.L'ensemble de ces informations géologiques et hydrogéologiques permet de proposer une modélisation conceptuelle de l'hydrosystème étudié (une partie du Bassin du NZI,environ 6300km2) ainsi qu'une modélisation numériques de l'écoulement, celle-ci servant de base à une réflexion sur la pertinence de l'information disponible et d'une modélisation discrète dans ce type d'environnement au vu des objectifs affichés (modèle de gestion et d'aide à la décision pour l'implantation de nouveaux forages). / The hydraulic characterization of fractured basement in Dimbokro-Bongouanou region, Côte d'Ivoire, is an essential step to achieve an optimization of new well locations, in terms of success rates and productivity.To this end, this study first proposes conceptual models of weathering profile for the three main geological formations of the region: granites, metasediments and metavolcanic rocks. Based on in-situ observations, interpretations of lithology and cycles of erosion and alteration, the typical weathering profiles are proposed for each type geological. These are formed from top to bottom of layers alloterite, isalterite, fissured and fractured fresh basement. The fissured layer shows the maximum density of fractures in the metavolcanic rocks and métasédiments, while the fractured fresh basement concentrates the highest density of fractures in granites. Moreover, interpretation of data from pumping tests conducted in various hydraulic programs indicate that the productivity of wells is not proportional to the depth due to variation, at region scale of the thickness of the fissured layer and fractured fresh basement which totalize the maximum of water arrivals. The spatial variation of hydraulic conductivity and productivity (specific rate) is influenced by the thickness of the fissured layer, alloterite layer of the weathering profile and topography. The regional fractures of the fractured fresh basement are also areas of high productivity, as evidenced by the negative correlation between rate of productive wells and distance to these fractures. A methodology of regional fractures mapping from the use of a Radar image and hydrogeological data is suggested.All of these geological and hydrogeological informations are finally integrated into a flow model and the simulated groundwater levels are compared with measured piezometric. It thus appears that the values of hydraulic conductivities deduced from pumping tests are 103 times lower than those that reproduce the regional flow. In addition, a dual approach (equivalent continuum for alterite layer and fissured layer vs. discrete fracture of the base) confirms the role of accidents in the regional flows.

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L'insuffisance cardiaque est une maladie à grande incidence dont le traitement définitif est difficile. Les pompes d'assistance ventriculaire ont été proposées comme thérapie alternative à long terme, mais la technologie est relativement jeune et selon son design, axial ou centrifuge, le dispositif favorise soit l'hémolyse, soit la stagnation de l'écoulement sanguin. Les pompes à écoulement mixte, combinant certaines propriétés des deux types, ont été proposées comme solution intermédiaire. Pour évaluer leurs performances, nous avons effectué des comparaisons numériques entre huit pompes, deux axiales, deux centrifuges, et quatre mixtes, en employant un modèle Windkessel du système cardiovasculaire avec paramètres optimisés pour l'insuffisance cardiaque résolu avec une méthode Radau IIA3, une méthode de résolution de système d'équations différentielles ordinaires L-stable appartenant à la famille des méthodes Runge-Kutta implicites. Nos résultats semblent suggérer que les pompes d'assistance mixtes ne démontrent qu'un léger avantage comparativement aux autres types en terme de performance optimale dans le cas de l'insuffisance cardiaque, mais il faudrait effectuer plus d'essais numériques avec un modèle plus complet, entre autres avec contrôles nerveux implémentés. / Heart failure is a disease with a high incidence rate that is difficult to treat definitively. Ventricular assist devices have been proposed as alternative long-term therapeutic options, but the technology is fairly recent and depending on the design, axial or centrifugal, the device will favor hemolysis or blood flow stagnation. Mixed flow devices, which combine properties of the two previous types, have therefore been proposed as intermediate solutions. To evaluate their performance, we did a numerical comparison between eight pumps (two axial, two centrifugal, and four mixed) using a Windkessel model of the cardiovascular system with parameters optimised for heart failure and solved using a Radau IIA3 method, an L-stable method used to numerically solve systems of ordinary differential equations that belongs to the family of implicit Runge-Kutta methods. Our results suggest that in terms of optimal performance, mixed flow pumps are modest improvements over the other two types, and more tests would have to be performed using a more complete model with, among other modifications, neural control systems implemented.

Nous avons étudié le transfert de chaleur et de matière au cours de l'histoire de la Terre primitive à de multiples échelles en utilisant des modèles numériques. Deux systèmes différents sont abordés. Tout d’abord, nous nous concentrons sur les premiers stades de la formation du noyau terrestre lorsque le fer se sépare des silicates et descend vers l'intérieur de la planète. Au cours de la différenciation, des interactions chimiques et thermiques se produisent entre les gouttes de fer dispersées dans des silicates fondus formant un océan de magma. Nous étudions le transport chimique des éléments traces à l'intérieur et autour des gouttes. Nous tirons quelques relations fonctionnelles dépendante du régime dynamique d'écoulement et montrons que le système tend à être en équilibre chimique extrêmement rapidement par rapport à l'échelle de temps de la descente de la goutte de fer. Peu de temps après la fin de l'accrétion de la Terre, la fusion extensive de son intérieur profond ainsi que la formation d'un océan de magma en surface a lieu. Comme le rayonnement de la chaleur dans l'espace est très efficace, les silicates fondus superficiels cristallisent très rapidement. L'histoire thermique de la couche liquide enterrée, appelée océan de magma basal (OMB), se déroule sur une longue période de temps et il est proposé que ses restes soient aujourd'hui observables sous forme de poches partiellement fondues au dessus de frontière noyau-manteau. Nous déterminons les paramètres régissant un système convectif dans lequel se produit une transition solide/liquide. Les lois d'échelle ainsi obtenues ont été appliquées à l'OMB et indiquent que la différence de température qui peut être maintenue dans les couches limites supérieure et inférieure de l'OMB est infime. Par conséquent, la température du noyau suit la température de liquidus à la base du manteau et ainsi la vitesse de refroidissement de l'OMB doit être la même que celle du noyau de la Terre. / We have studied the heat and mass transfer during the early Earth history at multiple scales and for multiple systems by means of numerical computing. Two different systems are approached. Firstly, we focus on the early stages of the Earth core formation when iron segregates from silicates and descends toward the interior of the planet. During the differentiation there are chemical and thermal interactions between dispersed iron blobs and surrounding molten silicates. We study the chemical transport of trace elements within and around the drops. We derive functional relations between critical parameters and show that the system tends to be in chemical equilibrium.During the accretion process of the Earth, extensive melting of its deep interior as well as formation of shallow magma oceans occurred.As heat radiation into space happens with high efficiency, surface molten silicates crystallize very rapidly, in about 10 My. The thermal history of the buried liquid layer, called the basal magma ocean (BMO), proceeds over a long time and it is proposed that its remnants are nowadays observable as partial melts in the core-mantle boundary region.We develop numerical models of the thermal history of the crystallizing basal magma ocean that enable to study coupling between the mantle and the core in the presence of the BMO. We derive parametrized relations for this convective system that undergoes solidification/melting. Obtained scaling equations applied to the BMO indicate that the temperature difference that can be maintained across the top and bottom boundaries of the BMO is minute. Hence, the temperature of the core follows the temperature of liquidus at the bottom of the mantle and thus the rate of the BMO cooling must be the same as that of the Earth's core.

Le transport de la neige par le vent est une composante importante de l'interaction entre l'atmosphère et la cryosphère. En zone de montagne, il influence la distribution temporelle et spatiale de la couverture neigeuse au cours de l'hiver et a en premier lieu des conséquences sur le danger d'avalanche. La modélisation numérique de ce phénomène permet d'étudier les interactions complexes entre le manteau neigeux et le vent et d'en estimer les conséquences de manière distribuée. Dans ce contexte, cette thèse décrit le développement et l'évaluation d'un modèle couplé atmosphère/manteau neigeux dédié à l'étude du transport de la neige par le vent en zone de montagne reposant sur le modèle atmosphérique Meso-NH et le modèle détaillé de manteau neigeux Crocus. Le transport de la neige par le vent a été étudié sur le site expérimental du Col du Lac Blanc (massif des Grandes Rousses, France). Une base de données d'épisodes de transport couvrant dix hivers a tout d'abord été utilisée pour déterminer les caractéristiques principales de ces épisodes. Des simulations avec le modèle Crocus (non couplé à Meso-NH) ont ensuite montré qu'il était nécessaire de tenir compte des transformations mécaniques des grains de neige induites par le vent afin de simuler une évolution réaliste de la vitesse seuil de transport. Le site expérimental a également été le siège de deux campagnes de mesures en 2011 et 2012 visant à collecter de données de validation pour le modèle. Elles renseignent sur les conditions météorologiques près de la surface, sur les quantités de neige transportées et sur la localisation des zones d'érosion et de dépôt de la neige grâce à l'utilisation d'un laser terrestre. Le modèle de transport de neige par le vent Meso-NH/Crocus a été développé. Il intègre le transport de la neige en saltation et en suspension turbulente ainsi que la sublimation des particules de neige transportée. Un schéma à deux moments permet de simuler l'évolution spatiale et temporelle de la distribution en taille des particules. L'utilisation d'un schéma de couche limite de surface à l'interface entre Meso-NH et Crocus s'est révélé nécessaire pour représenter les forts gradients de concentration en particules de neige observés près de la surface. Meso-NH/Crocus est le premier modèle couplé atmosphère/manteau neigeux capable de simuler de manière interactive le transport de la neige par le vent en zone alpine. Meso-NH/Crocus a été évalué en relief réel grâce aux données collectées lors de la première campagne de mesure en 2011. La simulation d'un épisode de transport sans chute de neige simultanée montre que le modèle reproduit de manière satisfaisante les principales structures d'un écoulement en relief complexe ainsi que les profils verticaux de vitesse de vent et de flux de particules de neige en suspension près de la surface. En revanche, la résolution horizontale de 50 m est insuffisante pour reproduire avec précision la localisation des zones d'érosion et de dépôt autour du Col du Lac Blanc. La prise en compte de la sublimation réduit la quantité de neige déposée de l'ordre de 5%.Les techniques de descente d'échelle dynamique (grid nesting) ont ensuite été utilisées pour simuler un second épisode de transport avec chute de neige. L'augmentation de la résolution horizontale intensifie les contrastes de vitesse de vent entre versants au vent et sous le vent. En revanche, elle modifie peu les quantités et les structures spatiales des précipitations solides autour du Col du Lac Blanc. Lorsqu'il est activé, le transport devient la principale source d'hétérogénéités des accumulations neigeuses / Blowing and drifting snow are crucial components of the interaction between the cryosphere and the atmosphere. In mountainous areas, it affects the temporal and spatial distribution of snow depth throughout the winter season and influences avalanche formation. Numerical modeling offers a solution for studying the complex interaction between the snowpack and the wind field and to assess the related processes in a spatially distributed way. In this context, this PhD describes the development and the validation of a coupled snow/atmosphere model which is dedicated to the study of blowing and drifting snow in alpine terrain. The coupled model consists in the atmospheric model Meso-NH and the detailed snowpack model Crocus. Blowing and drifting snow have been monitored at the Col du Lac Blanc (Grandes Rousses range, French Alps) experimental site. A database consisting of blowing snow events observed over 10 years allowed us to identify the main features of these events. Numerical simulations using Crocus illustrated the necessity of taking the wind-dependence of snow grain characteristics into account in order to simulate satisfactorily the occurrence of blowing snow events. We also carried out two measurement campaigns at our experimental site in 2011 and 2012 in order to collect validation data for the model. This includes measurements of vertical profiles of wind speed and snow particle fluxes near the surface and the mapping of areas of erosion and deposition using terrestrial laser scanning. The coupled Meso-NH/Crocus model has been developed in order to account for blowing and drifting snow. It simulates snow transport in saltation and in turbulent suspension and includes the sublimation of suspended snow particles. In the atmosphere, a double-moment scheme allows the model to simulate the spatial and temporal evolution of the snow particle size distribution. The implementation of a surface boundary layer scheme at the interface between Meso-NH and Crocus turned out to be necessary to reproduce the strong vertical gradient of snow particle concentration near the surface. Meso-NH/Crocus is the first coupled snow-atmosphere model that can simulate snow transport in alpine terrain in an interactive way.Meso-NH/Crocus has been evaluated against data collected near Col du Lac Blanc during the first measurement campaign in 2011. The simulation of a blowing snow event without concurrent snowfall showed that the model captures the main structures of atmospheric flow in complex terrain, the vertical profile of wind speed and the snow particle fluxes. However, the horizontal resolution of 50 m is found to be insufficient to simulate the location of areas of snow erosion and deposition observed around Col du Lac Blanc. Blowing snow sublimation leads to a reduction in snow deposition of approximately 5%.We used downscaling techniques (grid nesting) to simulate a second blowing event with concurrent snowfall. The increase in horizontal resolution enhanced the contrast of wind speed between windward and leeward slopes. However, it only slightly affects the amount and the spatial pattern of snow precipitation around Col du Lac Blanc. When activated, blowing and drifting snow are the main sources of spatial variability of snow accumulation

Les volcans bouclier basaltiques se déforment sous leur propre poids, tout particulièrement en période d'éruption. À Hawaii, cette déformation co-éruptive est en majeure partie expliquée par un plan de décollement à la base des édifices, dont le glissement serait associé à la force de poussée des intrusions dans les «rift zones» (i.e. concentration de dykes subverticaux dans les zones de faiblesse de l'édifice). Cependant, cette explication n'est pas valable pour beaucoup d'autres volcans basaltiques, où l'existence d'un décollement est peu probable. Nous avons profité de l'incision intense du Piton des Neiges (La Réunion) par l'érosion pour observer la structure interne d'un volcan basaltique, et comprendre, par le terrain et la modélisation numérique, comment la déformation d'un tel édifice s'articule avec son activité magmatique. Notre étude structurale révèle que trois populations d'intrusions perpendiculaires (deux subverticales et une subhorizontale) coexistent, et que les principales zones de faiblesses sont des «sill zones» (i.e. concentrations d'intrusions subhorizontales), Parallèlement, notre étude des déformations, essentiellement cassantes, révèle que deux extensions perpendiculaires dominent dans l'édifice, avec l'apparition de régimes localement décrochants et même compressifs à proximité des sill zones. Les directions de déformations et les directions d'intrusions sont compatibles et coïncident aussi avec la direction d'écoulement des grandes avalanches de débris qui ont affectée le Piton des Neiges au cours de son histoire. À partir de ces données de terrain, nous proposons un modèle de déformation du Piton des Neiges où les intrusions dans l'édifice génèrent des cycles de permutations de contraintes. Le stade ultime de chaque cycle serait la mise en place de sills en régime compressif. En testant numériquement l'effet de telles injections sur la déformation d'un édifice, nous montrons que les sills peuvent être un facteur majeur d'instabilité, capable de conduire à des déstabilisations de flanc telles que les avalanches observées. Notre modèle conceptuel, déduit du terrain et quantifié par la modélisation, constitue ainsi une alternative au modèle de déformation hawaiien, applicable sur des édifices tels que le Piton de la Fournaise (La Réunion), Tenerife (Canaries) et Fernandina (Galapagos). Notre étude démontre enfin l'intérêt essentiel d'étudier les systèmes anciens pour mieux comprendre les volcans actifs. / Basaltic shield volcanoes deform under their own weight, especially during eruptive periods. In Hawaii, this co-eruptive deformation is mainly explained by slip events on a basal decollement plane, related to the forceful intrusion of magma into “rift zones”(i.e. high concentration of subvertical dikes in weakness areas). However, this explanation is not valid on many other basaltic shields where the existence of basal decollements is unlikely. We used the deep incision of Piton des Neiges volcano (La Réunion) to observe the internalstructure of a basaltic shield.By coupling a field work and a numerical study, we aimed at understand how deformation interacts with magmatic activity on such an edifice. Our structural study reveals that three populations of perpendicular intrusions coexist and that the main weakness areas are “sill zones” (i.e. high concentration of low-­dipping intrusions). In parallel, our study of brittle deformation structures shows that two perpendicular extensional stress fields dominate in the edifice and that strike-­slip and compressional regimes appear near sill zones. The directions of deformation are compatible with the orientations of intrusions and are also consistent with the directions of emplacement of large debris avalanches, which occurred on Piton des Neiges during its evolution. From these field data, we propose a deformation model of Piton des Neiges volcano where magma intrusion in the edifice generates cycles of stress permutations. The ultimate stage of each cycle consists in sill intrusion under a compressional regime. The numerical simulations, testing the influence of such injections on edifice deformation, reveal that sills can be major instability factors, capable of triggering large flank collapses. Our conceptual model, inferred from field work and quantified by numerical models, thus constitutes an alternative to the Hawaiian model of deformation, applicable on edifices like Piton de la Fournaise (La Réunion), Tenerife (Canary) or Fernandina (Galapagos). Our study finally demonstrates the essential interest of studying old eroded systems to understand active volcanoes.

Cette thèse porte sur l’étude de l’évolution de la qualité de l’air en Europe et en France dans les prochaines décennies à l’aide de simulations numériques. Dans les études des impacts de l’évolution du climat sur la qualité de l’air, les modèles de chimie atmosphérique utilisent des sorties de modèles climatiques globaux ou régionaux qui fournissent les « forçages », c’est-à-dire les conditions météorologiques simulées pour les périodes futures. Contrairement aux analyses météorologiques, qui représentent la variabilité jour à jour du temps, les sorties des modèles de climat doivent nécessairement être interprétées de manière statistique : elles ne représentent la météorologie que dans un sens climatologique. Afin de pouvoir commenter utilement les simulations futures de qualité de l’air, il est nécessaire d’évaluer au préalable et pour le climat présent, la qualité des simulations calculées avec des forçages climatiques par rapport aux références que constituent les simulations calculées avec des forçages analysés et, bien entendu, les observations. Trois simulations pluri-annuelles (6 ans) ont été lancées pour la période actuelle (2000-2010) et ont été comparées ; elles différent par l’utilisation d’analyses météorologiques ou de forçages de modèle de climat (pour les paramètres atmosphériques seuls et par ailleurs, pour les paramètres atmosphériques et le calcul des échanges en surface) en entrée du modèle de chimie-transport tridimensionnel de Météo-France, MOCAGE. Nous avons évalué ces différentes simulations par comparaison aux observations de la base de données européenne AirBase. Nous avons ensuite comparé les performances de ces simulations pour un grand nombre de scores quantitatifs, en analysant d’une part les effets liés aux champs météorologiques (température, vent, humidité, etc.) et d’autre part, ceux liés aux échanges en surface (comme les vitesses de dépôts, les émissions biogéniques) qui dépendent également de la météorologie. Nous avons ainsi évalué comment ces changements affectent les distributions horizontales et verticales des polluants. In fine, nous avons caractérisé la fiabilité des simulations de qualité de l’air reposant sur des forçages issus de modèles climatiques pour le climat présent : des indicateurs (biais moyens, biais moyens normalisés, RMSE, déviations standards) et des index de qualité de l’air (comme le dépassement de seuils) se distinguent et peuvent donc servir de base fiable pour l’interprétation des résultats pour les simulations du futur. Enfin dans une troisième partie, ces indicateurs considérés comme pertinents ont été utilisés pour étudier des simulations de qualité de l’air aux horizons 2030 et 2050 (5 ans). Comme attendu, l’évolution des paramètres météorologiques (température, précipitation, vent) modifie les quantités et la dispersion des polluants dans l’atmosphère, mais l’évolution des émissions en Europe et dans le reste du monde joue aussi un rôle important. Ainsi, face à l’évolution du climat et la hausse des émissions dans certains pays du monde, en Asie notamment, les effets des politiques Européennes pour réduire les émissions anthropiques sont mitigés selon les régions et les polluants, dépendant de l’influence relative des phénomènes locaux et du transport de polluant à longue distance. / This thesis aims at predicting how European and French air quality could evolve over the next decades using numerical modeling. In order to study the impacts of climate change up on regional air quality, atmospheric chemistry models rely on global or regional climate models to produce “forcings”, i.e. meteorological conditions for future periods. Unlike meteorological analyses, which can represent specifically each date and hour thanks to the assimilation of observations, climate model outputs need to be averaged and can only be interpreted in a climatological sense. And so are air quality hindcasts relying on them for their forcings. In order to properly interpret air quality simulations in a future climate, it is a pre-requisite to assess how realistic air quality hindcasts are when driven by forcings from climate models for the current period in comparison to the references, which are simulations with the same set-up but relying on meteorological analyses and observations. Three six-year simulations for the current climate (2000-2010) have been run with the three-dimensional chemistry transport model of Météo-France, MOCAGE. These simulations only differ by the meteorological forcings used, either operational meteorological analyses or outputs from climate simulations (for atmospheric parameters only ; for atmospheric parameters as well as surface exchanges, which depend also on the weather). We compared the three simulations and evaluated them against the European air quality database of the European Environment Agency, AirBase. Further, we investigated how statistical skill indicators compare in the different simulations, assessing the effects of meteorology on atmospheric fields (temperature, wind, humidity,...) and on the dependent emissions and deposition processes (such as deposition velocities, volatile organic compound emissions, ...) that depend upon meteorology. We have in particular studied how these factors affect the horizontal and vertical distributions of species. In the end, we have estimated how reliable are skill indicators for the simulations run with “climate” forcings : some indicators (mean bias, mean normalized bias, RMSE, deviation standards, number of exceedance days) are sufficiently close to the ones obtained with the reference configuration (relying on analysed meteorological forcings) to be considered reliable. They can thus be used to interpret simulations for future periods. We have run simulations of European air quality in the 2030s and 2050s (5 years for each period). They are discussed using the indicators previously indentified. As expected, the changes in meteorological parameters (temperature, precipitation, wind, ...) affect the quantities and distributions of pollutants in the atmosphere, but the future evolutions in European and global emissions also play a significant role. Faced with climate change and increased emissions in some countries in the world, as in Asia, the impacts of European policies for reducing anthropogenic emissions are mitigated, depending on the regions and the pollutants due to the respective influence of local emission and of long-range transport of pollutants.

The Northern Gulf of Mexico and coastal Louisiana are experiencing accelerated relative sea level rise rates; therefore, the region is ideal for modeling the global affects of sea level rise (SLR) on estuarine dynamics in a transgressive barrier island setting. The field methods and numerical modeling in this study show that as barrier islands are converted to inner shoals, tidal exchange increases between the estuary and coastal ocean. If marshes are unable to accrete at a pace comparable to SLR, wetlands will deteriorate and the tidal exchange and tidal prism will further increase. Secondary to hurricanes, winter storms are a primary driver in coastal morphology in this region, and this study shows that wind direction and magnitude, as well as atmospheric pressure change greatly affect estuarine exchange. Significant wetland loss and winter storm events produce changes in local and regional circulation patterns, thereby affecting the hydrodynamic exchange and resulting transport.

Les panneaux photovoltaïques ont pris ces dernières années une place importante dans le secteur de l’énergie. Les performances de ces panneaux dépendent notamment de la qualité et de l’homogénéité du silicium utilisé et des impuretés qu’il contient. Pour obtenir du silicium photovoltaïque, on peut utiliser un procédé de solidification dirigée afin d’obtenir un lingot de silicium de grade photovoltaïque à partir de silicium de grade métallurgique. Cette approche reste aujourd’hui difficile à simuler efficacement en raison de l’aspect multi-échelle du procédé et du suivi de l’interface mobile avec des transferts de masse et de chaleur à l’interface solide/liquide. Cette thèse présente la mise en œuvre d’une méthode originale de maillage glissant proposée pour réaliser un suivi adaptatif de l’interface mobile, afin d’améliorer l’efficacité des simulations. Dans un premier temps, la modélisation de la solidification dirigée d’un corps pur avec un tel maillage glissant est validée à l’aide d’une solution analytique dans une configuration diffusive de référence. L’impact de la méthode proposée est ensuite étudié dans une configuration de type Bridgman vertical en présence de convection naturelle dans la phase liquide. Dans un second temps, on s’intéresse à la ségrégation des impuretés dans cette même configuration. Pour cela, on propose une modélisation spécifique du rejet d’impuretés à l’interface, et on étudie l’impact sur les simulations de la méthode de maillage glissant proposée. Les résultats et les gains de performance pour les simulations sont discutés en faisant varier des paramètres de calcul et par comparaison avec des données de la littérature. / In recent years, photovoltaic panels took a key role in the energy sector. The efficiency of these panels depends notably on the quality of the processed silicon ingots and on their homogeneity regarding the impurities they include. In order to process photovoltaic silicon, one can use a directional solidification process to obtain a solar grade silicon ingot from a metallurgical grade silicon feedstock. This approach is still nowadays hard to simulate with efficiency because of the multi-scales aspects of the process and because of the front tracking of the interface, where some heat and mass transfer occurs. This thesis presents the implementation of an original moving mesh method, proposed in order to perform an adaptive front tracking of the moving interface. The aim is to improve the efficiency of the numerical simulations. In a first time, the directional solidification model of a pure substance with such a moving mesh is validated against an analytical solution based on a purely diffusive reference configuration. The influence of the proposed method is then studied on a vertical Bridgman configuration with natural convection in the liquid phase. In a second time, the segregation of impurities is considered in the same configuration. For this study, a specific model for the rejection of impurities is proposed at the solid/liquid interface, and the influence of the proposed moving mesh method on the results is as well explored. Finally, the results and the performance improvements for the numerical simulations are discussed through variations of the calculation parameters and through comparisons against data from the literature.