Les éclairs représentent une des sources majeures d'oxydes d'azote (N Ox = N O + N O2 ) dans la haute troposphère. Ces émissions locales sont à l'origine de fortes concentrations de NOx, dont le temps de vie est augmenté dans cette partie de l'atmosphère, et sont associées à des panaches transportés à l'échelle intercontinentale. Aussi, l'importance des émissions par les éclairs pour la chimie de la haute troposphère et notamment pour la production d'ozone et la capacité oxydante de l'atmosphère n'est plus a prouver. Mon travail de thèse est dédié à la caractérisation des panaches de NOx issus des éclairs et la modélisation sous-maille associée afin de déterminer leur impact sur le bilan de l'ozone et les espèces azotées de la haute troposphère. L'analyse des mesures in-situ du programme aéroporté MOZAIC, dans les moyennes latitudes nord, couplées aux calculs du modèle lagrangien FLEXPART, et aux observations au sol et depuis l'espace des flashs d'éclairs et des nuages est réalisée. Cette étude met en évidence l'existence des panaches très étendus de N Oy issus des émissions d'éclairs et rend compte de leur fréquence, leur composition et leur évolution chimique au cours du transport. Un gradient négatif (positif) de NOy (O3) est mesuré dans les panaches de -0,4 (+18) ppbv de différence, pendant le printemps et -0,6 (+14) ppbv de différence, en été, entre l'Amérique du Nord et l'Europe. De plus, pour la première fois, une paramétrisation de panache associée aux émissions d'éclairs est implémentée dans un CTM. Cette approche permet le transport des effets de la chimie non-linéaire ayant lieu dans les panaches et conduit à une diminution significative des NOx et de l'O3 dans les régions caractérisées par une activité électrique électrique intense (-25 % et -8%, respectivement, en Afrique Centrale, en juillet) et une augmentation dans le vent des émissions (+10 % et +1 %, respectivement, sur l'Océan Atlantique, en juillet). Ces travaux permettent ainsi de réduire les incertitudes sur la représentation de ces processus non-linéaires et à une échelle plus petite que celle de la maille des modèles en vue d'une meilleure estimation (i) des distributions d'oxydes d'azote liées aux éclairs et (ii) de la production d'ozone associée à l'échelle globale. / Lightning emissions are one of the most important sources of nitrogen oxides (NOx = NO+NO2 ) in the upper troposphere. They imply high N Ox concentrations where their lifetime is longer in this part of the atmosphere and can be associated to large plumes transported over long distance. Furthermore, the decisive role of lightning emissions in the upper tropospheric chemistry and especially on the ozone production and the oxidizing capacity of the atmosphere is well known. My PhD is dedicated to the characterization of the lightning-NOx related plumes and the associated sub-grid modeling in order to determine their impact on the ozone and nitrogen oxyde burden in the upper troposphere. The analysis of the MOZAIC measurements in the northern-mid-latitudes coupled with FLEXPART Lagrangian model calculations, ground and space-based observations of lightning flashes and clouds is made. This study highlights the existence of large scale plumes of NOy from lightning emissions and describes their frequency, their chemical composition and evolution during the long-range transport. A negative (positive) gradient of NOy (O3) is found within the large scale plumes of about -0.4(+18) ppbv difference, during spring, and -0.6(+14) ppbv difference, in summer, between North America and Europe. Therefore, for the first time, a plume parameterization for lightning NOx emissions is implemented into CTM. This approach allows the transport of the non-linear chemistry effects occurring within plumes. The implementation of the plume-in-grid parameterization leads to a significant NOx and O3 decrease over the region characterized by a strong lightning activity (up to -25 % and -8 %, respectively, over Central Africa, in July) and a relative increase downwind of lightning NOx emissions (up to +10 % and +1 %, respectively, over Atlantic ocean, in July). This work allows to reduce the uncertainties on the representation of the non-linear processes at a smaller scale than the model grid in order to provide better estimates of (i) the nitrogen oxide distribution related to lightning and (ii) the associated ozone production at the large scale.

Le Sud-Est de la France est régulièrement soumis à des épisodes de pluies intenses en automne, entraînant parfois des inondations ayant un fort impact sociétal. L'un des sujets de recherche du projet HyMeX (Hydrological cycle in the Mediterranean Experiment) porte d'ailleurs sur l'amélioration de la compréhension et de la prévision de tels phénomènes. La particularité du nuage orageux est la production d'éclairs, précédée par l'électrisation du nuage. Des études ont montré que la présence simultanée de graupels, de cristaux de glace et d'eau surfondue dans les zones convectives était nécessaire à l'établissement de l'électrisation. Il existe donc un lien entre ces paramètres et l'occurrence d'éclairs. Le but de cette thèse est d'identifier et de quantifier des relations entre éclairs nuage-sol et paramètres nuageux en France métropolitaine et particulièrement dans le Sud-Est. Pour ce faire une analyse multi-variables a été réalisée à partir de plusieurs jeux de données : électrique (observation d'éclairs nuage-sol, Météorage) et radar (Dopplers : restitution des champs 3D de réflectivité et de vent, et polarimétriques : restitution de la microphysique, Météo-France). L'étude a été menée sur deux régions : la région parisienne et la région Sud-Est. Les résultats obtenus permettent notamment d'établir des relations linéaires quantifiables entre volume de réflectivité supérieure à 40 dBZ et taux d'éclair nuage-sol ainsi qu'entre masse de glace précipitante (principalement composée de graupel) et taux d'éclair. Une application de " l'hypothèse des flux de glace " basée sur le mécanisme d'électrisation non-inductif des orages a également été testée et montre des résultats encourageants entre produits des flux de masse de glace précipitante et non précipitante et taux d'éclair. La comparaison des résultats régionaux a montré un caractère plus facilement généralisable de la relation entre forte réflectivité et taux de CG. Au contraire, les relations basées sur les masses de glace semblent plutôt avoir un caractère régional. L'étude du premier cas considéré comme représentatif de la campagne HyMeX a permis la comparaison de la restitution des masses de glace à partir des données provenant de deux radars du réseau opérationnel de Météo-France (l'un en bande C, l'autre en bande S). Cette étude fait apparaître que la masse de glace précipitante semble sensible à l'instrument utilisé pour la restituer contrairement à la glace non précipitante (cristaux de glace et neige sèche).

Le schéma électrique de Méso-NH est composé de trois parties : l'évolution des charges électriques, le calcul du champ électrique et les éclairs. L'électrisation du nuage se fait principalement par le mécanisme non-inductif. Le processus inductif entre en jeu lorsqu'un champ électrique intense existe dans le nuage. Lorsque le champ électrique dans le nuage atteint une valeur seuil, un éclair est déclenché, et il se propage selon un leader bidirectionnel. Les branchements sont générés selon un schéma stochastique qui obéit à une loi fractale déduite des modèles de rupture diélectriques.<br />Des relations entre la dynamique, la microphysique et l'électricité sont mises en évidence sur différents cas d'étude. Des bilans sont effectués sur la ligne de grains en 2D, alors que la supercellule et la multicellule sont l'occasion de réaliser des tests de sensibilité sur l'électrisation et les éclairs. La production de NOx par les éclairs est illustrée sur un orage de STERAO.

L'objectif est d'étudier la transformation du tonnerre (amplitude, spectre) pendant sa propagation depuis le canal d'éclair jusqu'à un détecteur en se basant sur deux approches complémentaires. Dans un premier temps, l'analyse des enregistrements acoustiques (audibles et infrasons) obtenus par un réseau acoustique de petite taille (50 mètres), durant une campagne d'observations qui s'est déroulée dans le Sud de la France (Automne 2012), nous fournit des cartes 3D des sources infrasonores présentes dans un canal de foudre. Nous montrons qu'elles sont parfaitement corrélées aux résultats fournis par des outils électromagnétiques très précis. Des spectres de tonnerre ont pu être associés aux différentes phases de la décharge. Des caractéristiques acoustiques (fréquence, amplitude) ont pu être précisément reliées aux différentes sources acoustiques identifiées à l'intérieur des éclairs. Il apparaît que la propagation de l'onde acoustique perturbe la localisation pour les distances supérieures à 20km. Dans un second temps le code de calcul Flhoward a été développé pour simuler la propagation non linéaire des ondes de choc acoustiques à travers un modèle de météo réaliste. Il permet d'étudier les formes d'ondes au cours de leur propagation. La simulation numérique avec Flhoward aide à comprendre l'impact des profils météorologiques sur la propagation des signatures de tonnerre. / The goal is to study the transformation of thunder (amplitude, spectrum) during its propagation from to lightning channel towards a detector, based on two complementary approaches.In a first time, the analysis of the acoustic records (audible and infrasounds) obtained with an acoustic network of small size (50 meters), during an observation campaign which took place in South of France (Autumn 2012), produces 3D maps of infrasounds sources present in a lightning channel.We show they are perfectly correlated to results obtained from very precise electromagnetic tools.Frequency contents were successfully associated to the different parts of the discharge.Acoustic parameters (frequency, amplitude) were clearly linked to the different acoustic sources identified inside the lightning channels.It appears that the propagation of the acoustic wave impacts the localization for distances greater than 20km.In a second step, the computing code Flhoward was developed to simulate the nonlinear propagation of acoustic shock waves through a realistic meteorological profile.It allows to study the waveforms during their propagation.The numerical simulation with Flhoward helps to understand the impact of the meteorological profiles on the propagation of the thunder signatures.

La thèse s'est inscrite dans le cadre du programme international AMMA (Analyses Multidisciplinaires de la Mousson Africaine) qui vise à mieux renseigner, comprendre et prévoir la mousson de l'Afrique de l'Ouest et ses variabilités. La distribution de l'ozone dans un plan altitude-latitude a été simulée à l'aide d'un modèle méso-échelle bidimensionnel afin d'évaluer les processus participant à la formation des gradients méridiens d'ozone tels qu'ils sont observés en haute et basse troposphère grâce aux mesures aéroportées des programmes MOZAIC et AMMA. Une seconde partie est consacrée à l'analyse des données de radiosondages ozone effectués à Cotonou, Bénin. Les variations saisonnières et interannuelles de la distribution verticale de l'ozone en Afrique de l'Ouest sont soulignées. Le transport inter-hémisphérique des émissions des feux de biomasse pendant l'été boréal est démontré avec l'aide de modèles numériques (chimie-transport et dispersion lagrangienne de traceur passif).

Depuis une vingtaine d'années, la qualité de la prévision de la trajectoire des cyclones tropicaux a fortement progressé mais peu d'améliorations ont été apportées à la prévision de l'intensité. Cette thèse s'intéresse aux changements d'intensité des cyclones tropicaux du sud-ouest de l'océan Indien sous l'angle original de l'activité électrique. Une première étude climatologique s'appuyant sur les données du réseau de détection d'éclairs World Wide Lightning Location Network (WWLLN) a permis de valider la qualité de ces données et de montrer que les cyclones tropicaux pouvaient être une source importante de production d'éclairs à l'échelle du bassin. À partir de ce résultat, une étude ciblée a été menée en considérant la spécificité du bassin et trois régions ont été définies (océan ouvert, région à proximité de la côte est de Madagascar et Canal du Mozambique). L'activité électrique des cyclones tropicaux dépend de la région où ils se trouvent ainsi que de leur stade d'intensité. Les éclairs semblent être un marqueur des phases d'intensification et d'affaiblissement dans certains situations. La troisième étape de cette thèse a consisté à simuler de manière idéalisée un cyclone tropical mature et a tenté d'expliquer les processus physiques à l'origine de l'activité électrique. Le modèle reproduit bien le comportement sporadique des éclairs habituellement observé. Des bilans montrent que ce cyclone présente trois phases caractéristiques, chacune associée à un comportement dynamique, microphysique et électrique différent. Enfin, une deuxième étude purement numérique a tenté d'identifier des estimateurs de l'activité électrique. Pour celà deux approches ont été adoptées : une étude globale et une étude par cellule. Dans les deux cas, les meilleurs estimateurs sont la masse totale de graupel, le volume d'updraft et le produit des flux des masses de glace précipitante et non précipitante.

Depuis une vingtaine d'années, la qualité de la prévision de la trajectoire des cyclones tropicaux a fortement progressé mais peu d'améliorations ont été apportées à la prévision de l'intensité. Cette thèse s'intéresse aux changements d'intensité des cyclones tropicaux du sud-ouest de l'océan Indien sous l'angle original de l'activité électrique.Une première étude climatologique s'appuyant sur les données du réseau de détection d'éclairs World Wide Lightning Location Network (WWLLN) a permis de valider la qualité de ces données et de montrer que les cyclones tropicaux pouvaient être une source importante de production d'éclairs à l'échelle du bassin. À partir de ce résultat, une étude ciblée a été menée en considérant la spécificité du bassin et trois régions ont été définis (océan ouvert, région à proximité de la côte est de Madagascar et Canal du Mozambique). L'activité électrique des cyclones tropicaux dépend de la région où ils se trouvent ainsi que de leur stade d'intensité. Les éclairs semblent être un marqueur des phases d'intensification et d'affaiblissement dans certains situations. La troisième étape de cette thèse a consisté à simuler de manière idéalisée un cyclone tropical mature et a tenté d'expliquer les processus physiques à l'origine de l'activité électrique. Le modèle reproduit bien le comportement sporadique des éclairs habituellement observé. Des bilans montrent que ce cyclone présente trois phases caractéristiques, chacune associée à un comportement dynamique, microphysique et électrique différent. Enfin, une deuxième étude purement numérique a tenté d'identifier des estimateurs de l'activité électrique. Pourcelà deux approches ont été adoptées : une étude globale et une étude par cellule. Dans les deux cas, les meilleurs estimateurs sont la masse totale de graupel, le volume d'updraft et le produit des flux des masses de glace précipitante et non précipitante.

L'objectif scientifique de la thèse est de progresser dans la modélisation hydrologique spatiale régionale dans le contexte de crues éclairs qui représentent l'une des catastrophes naturelles les plus destructrices dans la région Méditerranéenne. L'accent est mis sur les questions de mise à l'échelle des bassins versants et la dérivation des équations et des modèles applicables aux bassins de milieu simplifiées de grande taille pour mieux décrire l'hétérogénéité du paysage et de la complexité du processus. Telles sont les questions clés pour faciliter le modèle mis en place dans le contexte de l'ensemble du bassin versant et d'essayer son application dans les bassins non jaugés trop. Pour répondre à ces questions, une modélisation hydrologique spatiale simplifiée sur les sous-bassins versants est d'abord proposé où les paramètres sont essentiellement tirées de l'information disponible (surtout cartographique). La méthode de Kirchner (WRR, 2009) qui suppose que le débit à la sortie est la seule fonction de stockage du bassin versant, est spécifiquement étudiée dans le cadre des bassins versants Méditerranéens. L'étape suivante consiste à créer un nouveau modèle hydrologique SIMPLEFLOOD distribué sur la base de « top down » méthodologie de Kirchner dans la plateforme de modélisation JAMS. Les paramètres du modèle simple sont estimés à des endroits calibrés et une régionalisation se fait en fonction de la géologie. Le bassin versant est discrétisé en sous-bassins versants d'environ 10 km2. La dernière étape consiste à procéder à un couplage de données avec le modèle hydraulique MAGE 1D développé à IRSTEA HHLY tenir compte des effets de propagation de la rivière sur les hydrogrammes simulés. Le couplage est externe, ce qui signifie que les sorties du modèle hydrologique dans le système de modélisation de JAMS deviennent les entrées du modèle MAGE hydraulique. Les sorties sont les débits qui sont transférés dans le modèle de MAGE soit comme flux latéraux (provenant des terres adjacentes) et /ou entrées d'eau locales. L'application de la thèse est le bassin versant de l'Ardèche (2388 km ²), qui est l'un des sites pilotes français pour le programme international HyMeX (cycle hydrologique dans l'expérience de la Méditerranée, http://www.hymex.org/). La thèse proposée contribue également au projet FloodScale (multi-échelle d'observation hydrométéorologique et de modélisation pour la compréhension et simulation des crues éclairs (http://floodscale.irstea.fr/). L'application de la méthodologie Kirchner (2009) montre que les résultats de simulation des débits sont bonnes pour les bassins de granit, trouvés à être caractérisée principalement par des processus excès de ruissellement et d'écoulement sous la surface de saturation. L'hypothèse simple de système dynamique fonctionne particulièrement bien dans des conditions humides (pics et les récessions sont bien modélisés). D'autre part, la performance du modèle est moins bien représentée à l'été et les périodes de sécheresse où l'évapotranspiration est large et observations de bas-débits sont inexactes. Dans le bassin versant de l'Ardèche, les précipitations simulées correspondent bien à de stations de jaugeage observés et données de réanalyse SAFRAN pendant les périodes de non-végétation. Le modèle doit encore être amélioré pour inclure une représentation plus précise de l'évapotranspiration réelle, mais fournit un résumé satisfaisant du fonctionnement du bassin versant pendant les périodes humides et d'hiver. Le couplage du modèle hydrologique obtenue avec le modèle hydraulique MAGE 1D fournit des résultats satisfaisants mais les résultats sont si réciproques comme dans le cas du modèle hydrologique ou une équation d'onde cinématique simple pour le routage des flux existe. On peut dire que dans les situations ou débordement de la rivière est significative, le couplage serai crucial. / The scientific objective of the thesis is to progress in regional spatial hydrological modeling in the context of flash floods that represent one of the most destructive natural hazards in the Mediterranean region. Emphasis is put on catchment scaling issues and derivation of simplified equations and models applicable to basins of medium to large size to best describe landscape heterogeneity and process complexity. These are the key issues in facilitating the model set up in the context of the whole catchment and trying its application in ungauged catchments too. To address these issues, a simplified spatial hydrological modeling over sub-catchments is first proposed where parameters are essentially derived from available information (cartographic utmost). For this purpose, the Kirchner (WRR, 2009) method that assumes that discharge at the outlet is only a function of catchment storage is specifically studied in the context of Mediterranean catchments. The next step is to create a new distributed hydrological model based on the data driven methodology of Kirchner within the JAMS modeling framework. The parameters of the simple model are estimated at the gauged locations and a regionalization is done according to geology. The catchment is discretized into sub-catchments of about 10 km2. The final step is to proceed with data coupling with the MAGE 1D hydraulic model developed at HHLY to consider river propagation effects on the simulated hydrographs. The coupling is external, meaning that outputs from the hydrological model in JAMS modeling system become inputs to the hydraulic model MAGE. Outputs are discharge rates in the reach network that are transferred into the MAGE model as either lateral flows (coming from adjacent land) and/or local inflows. The case study of the thesis is the Ardèche catchment (2388 km²), which is one of the French pilot sites for the HyMeX international program (Hydrological Cycle in the Mediterranean Experiment, http://www.hymex.org/). The proposed thesis also contributes to the FloodScale project (Multi-scale hydrometeorological observation and modeling for flash floods understanding and simulation, http://floodscale.irstea.fr/ ). The application of the Kirchner (2009) methodology shows that resulting discharge simulation results are good for granite catchments, found to be predominantly characterized by saturation excess runoff and sub-surface flow processes. The simple dynamical system hypothesis works especially well in wet conditions (peaks and recessions are well modeled). On the other hand, poor model performance is associated with summer and dry periods when evapotranspiration is high and operational low-flow discharge observations are inaccurate. In the Ardèche catchment, inferred precipitation rates agree well in timing and amount with observed gauging stations and SAFRAN data reanalysis during the non-vegetation periods. The model should further be improved to include a more accurate representation of actual evapotranspiration, but provides a satisfying summary of the catchment functioning during wet and winter periods. The coupling of the resulting hydrological model with the MAGE 1D hydraulic model provides satisfying results. However, the results show that the timing and magnitude of simulated discharge with coupled model is as good as by the hydrological model with a simple kinematic wave equation for flow routing. We argue that in situations when there is a significant overflow in the floodplain the interest of the coupling with the hydraulic model becomes crucial.

La sédimentation holocène au sein d'un bassin versant est conditionnée par les variations climatiques, l'utilisation des sols et les héritages géomorphologiques. Les réponses morphogéniques à ces stimuli demeurent peu connues, particulièrement pour les milieux semi-arides. Au cours de ce travail, je me suis attaché à apporter des éléments de réponse à cette problématique par l'étude de l'alluvionnement holocène du Gialias, le principal fleuve de Chypre. Ce travail associant des études géomorphologiques, stratigraphiques, sédimentologiques, magnétiques, micromorphologiques et géochimiques, couplées à un large corpus de datation couvrant l'Holocène a permis de préciser les modalités du transfert solide amont/aval du bassin versant. Les résultats permettent de caractériser l'impact de l'aridité sur le fonctionnement de l'hydrosystème. Ils montrent une adéquation relativement bonne avec les connaissances régionales sur le paléoclimat. Les principales phases de dépôt correspondent aux phases climatiques humides, comme durant l'Holocène ancien. Les caractéristiques détritiques de l'aridité sont plus marquées à partir de 5000 cal B.P. cal. L'impact morphogénique d'événements climatiques de haute fréquence est aussi mis en évidence vers 8200 B.P. cal., entre 7800-7200 B.P. cal., entre 2800-2600 et durant le Petit Âge Glaciaire. Les conséquences des changements environnementaux sur les activités humaines sont mises en évidence ; elles se différencient selon leur position au sein du bassin versant. Le drainage et la mise en culture des plaines alluviales, la mobilité des ports dans la ria durant les périodes du Bronze et du Fer en sont les exemples les plus caractéristiques. L'impact des activités humaines, à partir de l'Âge du Fer, demeure difficilement mesurable.

Depuis une vingtaine d'années, la qualité de la prévision de la trajectoire des cyclones tropicaux a fortement progressé mais peu d'améliorations ont été apportées à la prévision de l'intensité. Cette thèse s'intéresse aux changements d'intensité des cyclones tropicaux du sud-ouest de l'océan Indien sous l'angle original de l'activité électrique.Une première étude climatologique s'appuyant sur les données du réseau de détection d'éclairs World Wide Lightning Location Network (WWLLN) a permis de valider la qualité de ces données et de montrer que les cyclones tropicaux pouvaient être une source importante de production d'éclairs à l'échelle du bassin. À partir de ce résultat, une étude ciblée a été menée en considérant la spécificité du bassin et trois régions ont été définis (océan ouvert, région à proximité de la côte est de Madagascar et Canal du Mozambique). L'activité électrique des cyclones tropicaux dépend de la région où ils se trouvent ainsi que de leur stade d'intensité. Les éclairs semblent être un marqueur des phases d'intensification et d'affaiblissement dans certains situations. La troisième étape de cette thèse a consisté à simuler de manière idéalisée un cyclone tropical mature et a tenté d'expliquer les processus physiques à l'origine de l'activité électrique. Le modèle reproduit bien le comportement sporadique des éclairs habituellement observé. Des bilans montrent que ce cyclone présente trois phases caractéristiques, chacune associée à un comportement dynamique, microphysique et électrique différent. Enfin, une deuxième étude purement numérique a tenté d'identifier des estimateurs de l'activité électrique. Pourcelà deux approches ont été adoptées : une étude globale et une étude par cellule. Dans les deux cas, les meilleurs estimateurs sont la masse totale de graupel, le volume d'updraft et le produit des flux des masses de glace précipitante et non précipitante. / Tropical cyclone track forecast has improved over the past two decades but little improvement have been done in intensity changes forecast. This thesis focuses on the intensity changes of tropical cyclones in the southwest Indian ocean through the original aspect of lightning activity. A climatology of lightning activity in the southwest Indian ocean using data from the World Wide Lightning Location Network (WWLLN) is first proposed. Results showed that the WWLLN was able to locate and capture the lightning activity in the basin and that tropical cyclones can be considered as a major source of lightning flashes in some oceanic parts of this region. From this result, study of lightning activity in tropical cyclones of the southwest Indian ocean has been done considering the basin configuration. Thus, three regions were defined: open ocean, region near the eastern coast of Madagascar and the Mozambique Channel. The location and intensity of lightning activity depend on the region and the intensity stage. Lightning flashes seem to be a proxy of intensification or weakening under some conditions. The third step of this thesis was to simulate in an idealized framework a mature tropical cyclone. The model was first able to reproduce the sporadic behavior of lightning activity as observed. Budgets have shown that the presence of three distinctive phases characterized by different dynamical, microphysical and electrical behaviors. Finally, another purely numerical work tried to identify some proxies of lightning activity according two approaches : a global analysis anda per-cell analysis. In both cases, the best proxies are the total graupel mass, the updraft volume and the product of precipitating and non-precipitating ice mass fluxes.