Dans une première partie de ce travail, la fonte estivale partielle de la neige antarctique, qui affecte fortement l'émissivité micro-onde de la surface, est identifiée et comptabilisée au cours de 18 années sur la période 1980-1999. Pour cela, un algorithme de traitement des données satellitales s'adaptant à la variabilité spatiale et inter-annuelle de la température de brillance moyenne de la neige a été développé. Le cumul du produit de la surface affectée par la fonte par la durée de la période de fonte , appelé Cumulative Melting Surface CMS), est un des 3 indices définis et discutés ici. En moyenne sur les 20 années, le CMS Antarctique a diminué de 1.8 ± 1 % an- l, résultat cohérent avec un refroidissement des températures moyennes du mois de janvier sur le continent, récemment identifié par d'autres à partir de mesures dans l'infra-rouge. De plus, les indices de fonte comportent les signatures inter-annuelles de l'Oscillation Antarctique (AO), et peut-être de l'Oscillation Sud El Nino (ENSO). Les modèles actuels de circulation générale de l'atmosphère (MCGA) prennent mal en compte certaines des caractéristiques du climat des zones polaires. Ainsi, la simulation du bilan d'énergie de surface, donc la fonte, par le MCGA LMDz est encore peu fiable. Afin d'améliorer ce point, nous avons testé une paramétrisation non-locale des flux turbulents de surface pour les couches limites très durables et très stables (typiques de la longue nuit polaire antarctique). Cette paramétrisation autorise la propagation verticale des ondes de gravité depuis la troposphère libre, et simule donc l'apparition de turbulence intermittente dans la couche stable. Malgré la forte variabilité climatique inter-annuelle, il semblerait que la température du sol et l'intensité du vent soient généralement mieux décrites à l'intérieur du continent, mais un problème de découplage entre le sol et le premier niveau vertical du modèle apparaît près de Vostok.

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

Depuis 1992, mon activité scientifique est axée vers l'étude des basses couches de l'atmosphère où on s'attache à comprendre et à modéliser le forçage surfacique (quantité de mouvement, flux de chaleur latent et sensible, topographie) sur la dynamique et la microphysique de l'atmosphère dans ses premiers kilomètres. Les mécanismes de transport vertical dans la couche limite atmosphérique contrôlent la qualité de l'air dans les zones urbanisées, la répartition spatio-temporelle des précipitations et le transport de la neige dans les régions montagneuses. <br />Par exemple, l'ozone troposphérique, issu d'une réaction entre hydrocarbures et oxydes d'azote alimentée par le rayonnement solaire, est un oxydant redoutable qui s'attaque à la végétation et au système respiratoire humain. Les valeurs maximums sont enregistrées dans les périphéries des villes et non dans les zones où les émissions des polluants primaires sont les plus fortes. Pour mieux prévoir (et donc à terme, mieux gérer), la dynamique des basses couches doit faire l'objet d'une attention toute particulière.<br />Il en est de même pour l'aménagement du territoire face au risque d'inondation. La réponse hydrologique à un forçage pluviométrique sera d'autant plus pertinent en terme de prévision que le signal pluviométrique précis (en quantité et en localisation).<br /><br />Ces deux problèmes sont des questions où la demande sociétale est forte, et les mécanismes qui y sont associés sont des problèmes fondamentaux qui doivent encore retenir toute notre attention. Rappelons que la Loi sur L'air et L'utilisation Rationnelle de l'Energie (dite loi Lepage, mise en application au 1er janvier 1997) stipule dans son premier article « ...Cette action d'intérêt général consiste à prévenir, à surveiller, à réduire ou à supprimer les pollutions atmosphériques... » car il "est reconnu à chacun le droit à respirer un air qui ne nuise pas à sa santé". La Loi sur l'Eau (3 janvier 1992) a pour objectif de proposer un cadre législatif pour une gestion équilibrée, en autre, « de la conservation et du libre écoulement des eaux et de la protection contre les inondations ».<br /><br />La méconnaissance de ces mécanismes liés au transport et au mélange dans les basses couches entraîne des difficultés importantes lorsque l'on souhaite proposer des outils de gestion et de prévention de la qualité de l'air ou lorsque l'on souhaite affiner les prévisions à petite échelle de la répartition spatio-temporelle des précipitations. <br /><br />Mon outil d'investigation est la modélisation non-hydrostatique tridimensionnelle de l'atmosphère. Pour les applications dédiées à l'évaluation de la qualité de l'air comme pour celles dédiées au risque d'inondation, l'imbrication d'échelles ainsi que la définition des interfaces sont des problématiques communes. A ces échelles, l'interaction sol – atmosphère est importante à bien reproduire à travers toutes les hétérogénéités que composent un sol urbain (succession de rues hétérogènes) ou un massif montagneux (délimité par un système de vallées). Le forçage des échelles supérieures doit, également, rendre compte du milieu atmosphérique non fermé et de son caractère fortement instationnaire et turbulent.<br />Je me suis attachée à comprendre les mécanismes physiques liés au transport vertical et le rôle de la stratification dans le développement de ces mouvements ainsi que les processus liés au mélange des quantités scalaires passifs (traceur) ou qui interagissent avec la dynamique (microphysique). Les échelles caractéristiques sont celles d'une vallée comme celle de Grenoble ou d'un massif montagneux comme celui des Cévennes.<br />Compte tenu du rôle important de la stratification atmosphérique dans les processus physiques étudiés et de son caractère fortement instationnaire et inhomogène en espace aux échelles proposées, il me semble raisonnable d'aborder cette thématique pour deux études dissociées où la stratification agit différemment : (i) transport d'un traceur passif dans une vallée et effet de la stratification stable, (ii) forçage topographique sur un système précipitant (stratification instable). <br />A travers ce document, je souhaiterai synthétiser ma contribution personnelle à ces questions en n'oubliant pas que ma démarche s'est enrichie des nombreuses collaborations que j'ai pu avoir avec des chercheurs confirmés et à travers les divers encadrements de jeunes chercheurs qui ont rythmé ces 10 dernières années.

L'étude de la couche limite atmosphérique (CLA) est indispensable pour différents types d'investigations (études des propriétés atmosphériques, surveillance de la pollution, études environnementales). Cette thèse est consacrée à l'étude des propriétés atmosphériques dans la CLA, la turbulence de petite échelle et les précipitations, à partir du radar CURIE. Les données de CURIE, en ciel clair dont le vent, ont été analysées et comparées avec d'autres instruments de télédétection sur le site de SIRTA (radar UHF, Sodar et Lidar). Les résultats ont montré que CURIE est un instrument adapté à l'étude de la CLA jusqu'à 700m d'altitude. D'autres paramètres comme la turbulence d'indice Cn², l'inversion radiative matinale et l'entraînement sommital associé peuvent être estimés. En cas de précipitation, des comparaisons ont été effectuées avec un disdromètre et ont montré que CURIE dans les très basses couches permet l'étude des précipitations. Un cas de précipitation de neige a été également étudié. Des méthodes de représentations spectrales et une méthode de séparation du signal provenant de la turbulence en présence de précipitation ont été développées qui ouvrent une piste de recherche, utilisant le radar CURIE pour l'analyse des mouvements turbulents en présence de précipitation.

La dynamique de la couche limite atmosphérique d'une vallée alpine est influencée par le relief environnant et par l’écoulement de grande échelle qui la surmonte. La paramétrisation de cette circulation atmosphérique requiert donc de caractériser finement ces effets. C'est l’objectif de ce travail de thèse : comprendre l’influence du relief environnant une vallée sur les bilans de masse et de chaleur au travers d’une section de cette vallée, par conditions stables et sèches et lorsque le vent synoptique est faible mais non négligeable. Le travail s’appuie sur des simulations numériques.Plusieurs vallées idéalisées ont tout d’abord été considérées: une vallée infiniment longue (bidimensionnelle) et une vallée tridimensionnelle, qualifiée de supérieure, ouvrant soit sur une plaine (cas “vallée-plaine”), soit sur une autre vallée, qualifiée d’inférieure. Cette seconde vallée est soit plus large (cas “drainage”) ou plus étroite (cas “quasi-stagnation”).Dans les vallées tridimensionnelles, deux régimes principaux ont été identifiés, quelle que soit le cas considéré : un régime transitoire, avant que le vent de vallée (descendant) ne se développe, puis un régime quasi-stationnaire, quand le vent de vallée est complètement développé. La présence d’une vallée inférieure réduit la variation de température le long de la vallée, de sorte que le vent de vallée y est plus faible que dans le cas vallée-plaine. En conséquence, la durée du régime transitoire augmente et est maximum pour le cas quasi-stagnation. Lorsque la vallée inférieure est très étroite, la variation de température peut même changer de signe, conduisant à un vent de vallée montant, de la vallée inférieure vers la vallée supérieure. Durant ce régime transitoire, le taux de refroidissement moyenné sur le volume de la vallée est maximum, sa valeur dépendant du cas considéré. En conclusion, les cas drainage et quasi-stagnation conduisent à une couche limite dans la vallée supérieure plus froide et plus profonde que dans le cas vallée-plaine.Dans le régime quasi-stationnaire, le taux de refroidissement moyenné sur le volume de la vallée est plus faible que dans le régime transitoire et varie peu en fonction du cas considéré. En effet, lorsque la vallée inférieure devient plus étroite, le réchauffement lié aux effets advectifs diminue car la vitesse du vent de vallée diminue, de sorte que la contribution (refroidissante) du flux de chaleur sensible diminue également. La conservation de la masse dans la couche limite de la vallée supérieure est assurée par un équilibre entre la convergence des vents de pente au sommet de la couche limite (alimenté par un courant de retour au-dessus (et en sens inverse) du vent de vallée descendant) et la divergence du vent de vallée, les effets de subsidence loin des parois de la vallée jouant un rôle négligeable.Le cas réaliste de la vallée de l’Arve autour de Passy durant une période d’observation intensive de la campagne de mesures PASSY-2015 a permis de caractériser l’impact des vallées environnant Passy sur les bilans de masse et de chaleur dans la vallée. Une couche d’air froid persistante se forme en fond de vallée, suite à l’advection d’air chaud associée au passage d’une crête anticyclonique au-dessus de l’Europe. Les écoulements le long des vallées tributaires présentent une grande variabilité durant la phase persistante de l’épisode, dépendant de la variabilité de l’écoulement à grande échelle, et ont un impact majeur sur l’intensité de la couche d’air froid et la hauteur de l’inversion qui la surmonte. La forte stratification près du sol conduit à leur décollement au-dessus du fond de vallée, les empêchant d'y pénétrer. L’évolution de l’écoulement à grande échelle durant l’épisode a un profond impact sur la dynamique proche du fond de vallée. Durant la nuit en effet, la canalisation de cet écoulement réduit la variation de température le long de la vallée contrôlant le vent de vallée, favorisant la stagnation de l’air. / Alpine valleys are rarely closed systems, implying that the atmospheric boundary layer of a particular valley is influenced by the surrounding terrain and large-scale flows. A detailed characterisation and quantification of these effects is required in order to design appropriate parameterisation schemes for complex terrains. The focus of this work is to improve the understanding of the effects of surrounding terrain (plains, valleys or tributaries) on the heat and mass budgets of the stable boundary layer of a valley, under dry and weak large-scale wind conditions. Numerical simulations using idealised and real frameworks are performed to meet this goal. Several idealised terrains (configurations) were considered: an infinitely long valley (i.e. two-dimensional), and upstream valleys opening either on a plain (valley-plain), on a wider valley (draining) or on a narrower valley (pooling). In three-dimensional valleys, two main regimes can be identified for all configurations: a transient regime, before the down-valley flow develops, followed by a quasi-steady regime, when the down-valley flow is fully developed. The presence of a downstream valley reduces the along-valley temperature difference, therefore leading to weaker down-valley flows. As a result, the duration of the transient regime increases compared to the respective valley-plain configuration. Its duration is longest for pooling configuration. For strong pooling the along-valley temperature difference can reverse, forcing up-valley flows from the narrower towards the wider valley. In this regime, the volume-averaged cooling rate is found maximum and its magnitude dependent on the configuration considered. Therefore pooling and draining induce colder and deeper boundary layers than the respective valley-plain configurations. In the quasi-steady regime the cooling rate is smaller than in the transient regime, and almost independent of the configuration considered. Indeed, as the pooling character is more pronounced, the warming contribution from advection to the heat budget decreases because of weaker down-valley flows, and so does the cooling contribution from the surface sensible heat flux. The mass budget of the valley boundary layer was found to be controlled by a balance between the convergence of downslope flows at the boundary layer top and the divergence of down-valley flows along the valley axis, with negligible contributions of subsidence far from the slopes. The mass budget highlighted the importance of the return current above the down-valley flow, which may contribute significantly to the inflow of air at the top of the boundary layer. A case-study of a persistent cold-air pool event which occurred in February 2015 in the Arve River Valley during the intensive observation period 1 of the PASSY-2015 field campaign, allowed to quantify the effects of neighbouring valleys on the heat and mass budgets of a real valley atmosphere. The cold-air pool persisted because of warm air advection at the valley top, associated with the passage of an upper-level ridge over Europe. The contributions from each tributary valley to the mass and heat budgets of the valley atmosphere were found to vary from day to day within the persistent stage of the cold-air pool, depending on the large-scale flow. Tributary flows had significant impact on the height of the inversion layer and the strength of the cold-air pool, transporting a significant amount of mass within the valley atmosphere throughout the night. The strong stratification of the near-surface atmosphere prevented the tributary flows from penetrating down to the valley floor. The evolution of the large-scale flow during the episode had a profound impact on the near-surface circulation of the valley. The channelling of the large-scale flow at night, can lead to the decrease of the horizontal temperature difference driving the near-surface down-valley flow, favouring the stagnation of the air close to the ground.

L’observation des couches limites atmosphériques au dessus du plateau antarctique a mis en évidence les plus fortes inversions de température proches de la surface de la planète. Bien paramétriser ces couches limites extrêmes dans un modèle de circulation générale est essentiel pour represéntercorrectement l’inversion climatologique de température au dessus du plateau, mais également pour reproduire des vents catabatiques réalistes en aval du plateau et de surcroit, une circulation atmosphérique correcte dans l’hémisphère sud. Les conclusions des précédentes "Gewex AtmosphericBoundary Layer Studies" (GABLS) ont conduit au constat que la paramétrisation des couches limites stables dans les modèles climatiques est une des priorités pour la communauté des modélisateurs.Ceci est dû au fait que la nature même des processus physiques en jeu est mal connue mais aussi parce que les lois de similitudes, sur lesquelles les paramétrisations du mélange turbulent sont fondées, ne sont pas applicables en condition très stable. L’objectif de ces travaux de thèse est d’évaluer et d’améliorer la représentation des couches limites sur le plateau antarctique dans le modèle français de circulation générale Laboratoire de MétéorologieDynamique-Zoom (LMDZ), composante atmosphérique du modèle de climat IPSL. Avant l’évaluation même du modèle, une étude approfondie de la couche limite de surface et de la structure de la couche limite stable a été conduite à partir de l’analyse de mesures in situ au Dôme C. Il en a résulté une caractérisation de la hauteur de rugosité aérodynamique, une estimation des flux turbulents de surface sur une année entière ainsi que la mise en évidence de sursaturations de la vapeur d’eau par rapport à la glace. L’analyse des mesures de température et de vent le long d’une tour de 45 m a aussi montré que la couche limite se comporte tel un système dynamique à deux régimes distincts. La relation entrevitesse du vent et inversion de température décrit un "S renversé", suggérant une transition de régime suivant un hystérésis. Une étude complémentaire a révélé que ce comportement dynamique à deux régimes est une caractéristique générale et robuste des couches limites stables, qui peuvent transiter,selon l’intensité des forçages, d’un régime ’turbulent’ peu stable à un régime ’radiatif’ très stable et vice et versa.Le modèle LMDZ a ensuite été évalué en configuration 1D sur un cycle diurne d’été dans le cadre de la quatrième expérience GABLS. Des tests de sensibilité aux paramètres de surface et à la paramétrisation du mélange turbulent ont été réalisés. Ils ont conduit à de nettes améliorations des performancesdu modèle ainsi qu’à la mise en place d’une configuration adaptée aux conditions antarctiques. Des simulations complémentaires en 3D ont par la suite soulevé l’importance du transfert radiatif infrarouge et de la paramétrisation des flux turbulents de surface pour la modélisation de la couchelimite sur le plateau pendant la nuit polaire. Enfin, les travaux de thèse ont été étendus à la modélisation des couches limites stables continentales. Les paramétrisations locales de turbulence ont en effet tendance à sous-estimer le mélange sous-maille continental, en raison de la multitude des processusde mélange en jeu. Un réflexion a donc été portée sur la façon de palier ce manque de mélange, avec comme idée directrice de transférer la perte d’énergie cinétique grande échelle perdue lors du freinage de l’écoulement par les ondes de gravité, vers de l’énergie cinétique turbulente. / Observation of the Atmospheric Boundary Layers (ABL) above the Antarctic Plateau has revealed the strongest near-surface temperature stratifications on the Earth. A correct parametrization of the very stratified Antarctic ABLs in General Circulation Models (GCM) is critical since they exert a strongcontrol on the continental scale temperature inversion, on the coastal katabatic winds and subsequently on the Southern Hemisphere circulation. The previous Gewex Atmospheric Boundary Layer Studies (GABLS) highlighted that the parametrization of the very stratified, or very stable, ABLs isone of the most critical challenge in the atmospheric modelers community. Indeed, the nature of the mixing processes are not completely understood and the commonly used similarity laws, on which the model’s parametrization are usually based, are no longer valid. The aim of this PhD work is to evaluate and improve the modelling of the ABL over the Antarctic Plateau by the Laboratoire de Météorologie Dynamique-Zoom (LMDZ) GCM, the atmospheric component of the IPSL Earth System Model in preparation for the sixth Coupled Models Intercomparison Project. Before the model evaluation itself, an in-depth study of the dynamics of the atmospheric surface layer and of the stable ABL over the Antarctic Plateau was carried out from in situ measurements at Dome C. The analysis enabled the first estimations of the roughness length and of the surface fluxes during the polar night at this location as well as the characterization of very frequent occurences of near-surface moisture supersaturations with respect to ice. Investigation of meteorological measure-ments along a 45 m tower also revealed two distinct dynamical regimes of the stable ABL at this location. In particular, the relation between the near surface inversion amplitude and the wind speed takes a typical ’reversed S-shape’, suggesting a system obeing with an hysteresis. A further analysisshowed that this is a clear illustration of a general and robust feature of the stable ABL systems, corresponding to a ‘critical transition’ between a steady turbulent and a steady ‘radiative’ regime. LMDZ was then run on 1D simulations during a typical clear-sky summertime diurnal cycle in the framework of the fourth GABLS case. Sensitivity tests to surface parameters, vertical grid and turbulent mixing parametrizations were performed leading to significant improvements of the model and to a new configuration better adapted for Antarctic conditions. 3D simulations were then carried outwith the ’zooming capability’ of the horizontal grid and with nudging. These simulations enabled a further evaluation of the model over a full year and extending the analysis beyond Dome C. In particular, this study raised the importance of the radiative scheme and of the surface layer scheme forthe modelling of the ABL during the polar night over the Plateau. Finally, the PhD work extented toward the modelling of the stable ABL over the other continents, assessing how the frequently underestimated subgrid mixing of momentum and heat can be compensated by a transfer of large scalekinetic energy toward turbulent kinetic energy when the flow is slowed down by orographic gravity wave drag.

Le brouillard est un phénomène météorologique très difficile à prévoir, même à très courte échéance, en raison de sa grande variabilité spatiale et temporelle qui est due à des interactions complexes entre divers processus physiques. Dans cette thèse, les caractéristiques météorologiques locales et les processus synoptiques favorables aux brouillards sur la région du Grand Casablanca (Maroc) sont examinés à l'aide des observations horaires aux deux stations météorologiques permanentes de cette région côtière. Un algorithme de classification objectif est développé et utilisé pour classer les événements en des types de brouillard les plus rencontrés. Cette étude climatologique a mis en évidence que le brouillard a le plus souvent un caractère localisé et que le type d'advection-rayonnement est le plus fréquent sur la région, suivi des types d'affaissement de stratus et de rayonnement. Quand le brouillard intéresse simultanément les deux stations, la probabilité d'observer deux types différents est assez élevée. Les processus advectifs liés à la circulation de brise de mer au cours de l'après-midi, suivis de ceux radiatifs en début de nuit jouent un rôle important dans la formation du brouillard sur la région. Des simulations numériques à l'aide du modèle Méso-NH sont réalisées. Ces simulations ont confirmé que les processus physiques impliqués dans le cycle de vie du brouillard peuvent être différents selon la nature géographique de la surface. Elles ont aussi mis en évidence que la prévision numérique du brouillard en zone côtière est sensible à la température de la surface de la mer, à la topographie locale, et à l'occupation du sol. De plus, la prévision du brouillard côtier dépend fortement de la capacité du modèle à reproduire correctement la circulation de brise au cours de l'après-midi et les processus radiatifs en début de nuit. Les simulations systématiques des cas de brouillard de l'hiver 2013-2014 a montré la capacité du modèle Méso- NH à reproduire l'occurrence du brouillard avec néanmoins un taux relativement élevé de fausses alarmes, en particulier à la station côtière. / The prediction of fog remains a challenge due to its time and space variability and to the complex interaction between the numerous physical processes influencing its life cycle. During the first stage of this thesis, the local meteorological and synoptic characteristics of fog occurrence over the Grand Casablanca region (Morocco) are investigated. To achieve this, hourly surface meteorological observations, at two synoptic stations of this coastal region, are used. An objective fog-type classification has been developed in this work and used to discriminate the fog events into the well known types. This fog climatology points out that the fog is often localized and that it is predominantly of advection-radiation type, followed by fog resulting from cloud base lowering and radiation fog. Besides, two different fog types can occur when fog simultaneously concerns the two stations. The advective processes associated with sea breeze circulation during the daylight, followed by the radiative processes often leads to fog formation over this coastal region. Numerical simulations are performed later using the meso-scale non-hydrostatic model Meso-NH. These simulations confirm that the physical processes, governing the life cycle of fog, can be different according to the physiographic features of the area. Moreover, the numerical prediction of coastal fog over heterogeneous area is very sensitive to sea surface temperature, land local topography and land cover. It also depends on the model's ability to reproduce the sea breeze circulation during the daylight followed by the radiative processes early in the night. The systematic numerical simulations of the fog events that occurred during the winter 2013-2014 indicate the Meso-NH's ability to well capture the fog occurrence with a relatively high false alarm rate, particularly over the coastal station.

La région boréale arctique (RBA) couvre une vaste étendue qui lui confère un rôle important dans le système climatique mondial, par ses échanges d'énergie et de matière avec l'atmosphère. La température de l'air dans la région boréale arctique a augmenté à des taux disproportionnés par rapport à la moyenne mondiale, entraînant des changements dans la composition et la structure de la végétation. La RBA comprend l'écotone de la forêt boréale et de la toundra (EFT), qui s'étend sur plus de 10,000 km à travers l'hémisphère nord. La structure et la composition de la végétation varient considérablement à travers l’EFT. Du sud au nord, les arbres deviennent plus courts, plus dispersés et finalement absents. Ce gradient entraîne des variations dans la balance énergétique de surface. Ainsi, des changements dans la composition et la structure de la végétation dans l’EFT pourraient influencer le climat régional futur de ces régions. Ces changements régionaux pourraient se répercuter sur le climat mondial en interagissant avec le cycle du carbone par des changements dans les régimes de perturbations et la profondeur de la couche limite atmosphérique. L'objectif de cette étude était de développer un état des lieux de la variation latitudinale des interactions entre la surface et l’atmosphère et du climat régional à travers l’EFT dans le nord-ouest du Canada. Nous avons utilisé des mesures de covariance des turbulences provenant d’une forêt subarctique en marge de l’EFT et d’une toundra minérale caractérisant l’EFT du nord-ouest du Canada afin de quantifier les différences journalière et saisonnières des échanges d'énergie. Quatre paramètres de surface (albédo, conductance aérodynamique, conductance de surface et facteur de découplage) ont été examinés dans le but d’expliquer les différences dans la balance énergétique de surface. Des observations par radiosonde basées sur des campagnes de terrain et une expérience de modélisation de la couche limite atmosphérique ont été réalisées afin de discuter des conséquences potentielles des changements de végétation sur la dynamique de la couche limite atmosphérique (hauteur, température, humidité) et ses implications pour le climat régional. La forêt subarctique a démontré une meilleure capacité à transférer la chaleur vers l’atmosphère et une plus grande résistance à l'évapotranspiration, se traduisant par des conditions atmosphériques plus chaudes et sèches, spécialement au printemps. En été et automne, une conductance de surface plus élevée sur le site de la toundra s’est traduite par à une plus grande proportion de l'énergie utilisée pour humidifier l'atmosphère, résultant en une couche atmosphérique moins épaisse et un refroidissement régional du climat. La caractérisation des interactions entre la surface et l’atmosphère à travers l’EFT contribuera à améliorer les prédictions des effets des changements de végétation en cours sur le climat régional dans la région boréale arctique. / Considering its vast extent, the Arctic-boreal region (ABR) plays an important role in the global climate system through its exchange of energy and matter with the atmosphere. Air temperature across the ABR has been increasing at a higher rate compared to the global average and has led to changes in vegetation composition and structure across the ABR. The ABR includes the forest-tundra ecotone (FTE), spanning more than 10,000 km across the northern hemisphere. As the world’s longest transition zone, the FTE separates the boreal and Arctic biomes over a width of only a few tens to hundreds of kilometers. Vegetation composition and structure varies considerably across the FTE as trees become, from south to north, shorter and more stunted, sparser, and eventually, absent. The associated latitudinal gradient in surface properties results in corresponding latitudinal variations in the energy balance. Thus, changes in the latitudinal variation in surface properties and energy exchanges within the atmospheric boundary layer (ABL) may affect future regional climate across the FTE. The goal of this study was to develop a baseline understanding of the latitudinal variation in surface-atmosphere interactions and atmospheric boundary layer dynamics across the FTE in northwestern Canada. We used paired eddy covariance measurements of surface energy fluxes and supporting environmental measurements at a subarctic woodland (‘woodland’) and a mineral upland tundra site (‘tundra’) to quantify differences in daily and seasonal differences in woodland and tundra properties and energy exchanges. Four bulk surface parameters (albedo, aerodynamic conductance, surface conductance, and decoupling factor) were examined to explain drivers of those differences. Campaign-based radiosonde observations and numerical experiments using an ABL model were used to examine the impacts of a sparse tree cover on ABL dynamics (height, temperature, humidity) and their implications for surface climate compared to treeless tundra. The sparse tree cover at the woodland site showed an enhanced ability to transfer heat into the atmosphere and a higher resistance to evapotranspiration compared to tundra, leading to warmer and drier conditions especially in late winter and spring. In summer and fall, higher bulk surface conductance at the tundra site led to more energy being used to moisten the atmosphere, resulting in a shallower ABL and regional cooling of the atmosphere. Refined characterization of land surface-atmosphere interactions across the FTE will help to project the effect of ongoing vegetation changes on regional climate in the circumpolar Arctic-boreal region.

Les régimes dynamiques dans les basses couches de l’atmosphère à l’île de la Réunion sont conditionnés par l’action du relief et du rayonnement sur l’écoulement synoptique. L’île est située en permanence dans le flux des alizés de sud-est et son relief élevé, culminant à 3000 m dans le centre de l’île et 2600 m au sud, constitue un obstacle important pour l’écoulement moyen. Le relief, le chauffage différentiel des pentes et le contraste thermique avec l’océan influent sur les échanges locaux entre la couche limite marine et la troposphère libre.L’analyse des phénomènes complexes de l’écoulement atmosphérique au niveau de l’île a pour but initial de caractériser les transferts de polluants émis localement. Cette étude a deux applications : • La première rentre dans le cadre préparatoire à la mise en place, à 2200 m d’altitude sur le Piton Maïdo, de l’observatoire atmosphérique de l’OPAR, à l’horizon 2011. L’objectif est de comprendre les circulations locales induites par le relief et les transports associés afin de discriminer d’éventuelles pollutions par les sources locales sur le signal qui sera mesuré in situ au sommet du Maïdo.• La seconde vise à étudier la diffusion des panaches volcaniques du Piton de la Fournaise. L’éruption majeure d’avril 2007 du volcan réunionnais a montré que des panaches pouvaient générer d’importantes pollutions dans diverses parties de l’île allant jusqu’à poser de réels problèmes environnementaux et de santé publique.Ces applications s’appuient sur une étude par modélisation numérique à haute résolution des écoulements atmosphériques dans les basses couches au niveau de l’île, au moyen du modèle météorologique de recherche MésoNH, permettant de conduire un ensemble de simulations sur cas idéalisés puis sur cas réels avec diffusion de traceurs passifs. / Reunion Island is an isolated mountainous island in Indian Ocean culminating in the center at 3000 m and in the southern part at 2600 m asl and is located in the influence of very regular south-easterly trade winds. The perturbation of the prevailing humid trade wind flow by the complex topography causes large spatial variations in local weather. The analysis of atmospheric circulations at local scale has been conducted with the aim of improving the understanding of small-scale transport and dispersion of pollutants emitted from local sources. This study has two applications:• It takes part in the perspective of the new atmospheric research station of Piton Maïdo, a summit at 2200 m above sea level on the west coast of the island, in the frame of the developing Atmospheric Physics Observatory of La Reunion (Observatoire de Physique de l’Atmosphère de la Réunion, OPAR as French acronym). The objective is to examine to what extent local orographic perturbations of the synoptic wind and local wind systems are responsible for vertical export of air pollutants originating from the island boundary layer, and could affect ground-based measurements at the future Piton Maïdo observatory devoted to the monitoring of background atmospheric composition (greenhouse gases and aerosols).• The second one aims to investigate the behavior of the volcanic plumes from the Piton de la Fournaise. During the April-May 2007 eruption, large amounts of volcanic gases, particles and ash were released into the atmosphere causing air-pollution at several inhabited locations. In this work, the three-dimensional, non-hydrostatic, limited-area numerical model, MESONH, was run in high resolution to simulate features of airflows over Reunion Island in idealized and real conditions. Various passive tracers have been released in the model in order to characterize dynamical processes in the lower atmospheric layers and the related transport of air-masses.

La modélisation par simulation des grandes échelles (Large-Eddy Simulation - LES) des processus physiques régissant la couche limite atmosphérique (CLA) demeure complexe de part la difficulté des modèles à capter l'évolution de la turbulence entre différentes conditions de stratification. De ce fait, l'étude LES du cycle diurne complet de la CLA comprenant des situations convectives la journée et des conditions stables la nuit est très peu documenté. La simulation de la couche limite stable où la turbulence est faible, intermittente et qui est caractérisée par des structures turbulentes de petite taille est tout particulièrement compliquée. En conséquence, la capacité de la LES à bien reproduire les conditions météorologiques de la CLA, notamment en situation stable, est étudiée à l'aide du code de mécanique des fluides développé par EDF R&D, Code_Saturne. Dans une première étude, le modèle LES est validé sur un cas de couche limite convective quasi stationnaire sur terrain homogène. L'influence des modèles sous-maille de Smagorinsky, Germano-Lilly, Wong-Lilly et WALE (Wall-Adapting Local Eddy-viscosity) ainsi que la sensibilité aux méthodes de paramétrisation sur les champs moyens, les flux et les variances est discutées. Dans une seconde étude le cycle diurne complet de la CLA pendant la campagne de mesure Wangara est modélisé. L'écart aux mesures étant faible le jour, ce travail se concentre sur les difficultés rencontrées la nuit à bien modéliser la couche limite stable. L'impact de différents modèles sous-maille ainsi que la sensibilité au coefficient de Smagorinsky ont été analysés. Par l'intermédiaire d'un couplage radiatif réalisé en LES, les répercussions du rayonnement infrarouge et solaire sur le jet de basse couche nocturne et le gradient thermique près de la surface sont exposées. De plus l'adaptation de la résolution du domaine à l'intensité de la turbulence et la forte stabilité atmosphérique durant l'expérience Wangara sont commentées. Enfin un examen des oscillations numériques inhérentes à Code_Saturne est réalisé afin d'en limiter les effets / Large-eddy simulation (LES) of the physical processes in the atmospheric boundary layer (ABL) remains a complex subject. LES models have difficulties to capture the evolution of the turbulence in different conditions of stratification. Consequently, LES of the whole diurnal cycle of the ABL including convetive situations in daytime and stable situations in the night time is seldom documented. The simulation of the stable atmospheric boundary layer which is characterized by small eddies and by weak and sporadic turbulence is espacialy difficult. Therefore The LES ability to well reproduce real meteorological conditions, particularly in stable situations, is studied with the CFD code developed by EDF R&D, Code_Saturne. The first study consist in validate LES on a quasi-steady state convective case with homogeneous terrain. The influence of the subgrid-scale models (Smagorinsky model, Germano-Lilly model, Wong-Lilly model and Wall-Adapting Local Eddy-viscosity model) and the sensitivity to the parametrization method on the mean fields, flux and variances are discussed.In a second study, the diurnal cycle of the ABL during Wangara experiment is simulated. The deviation from the measurement is weak during the day, so this work is focused on the difficulties met during the night to simulate the stable atmospheric boundary layer. The impact of the different subgrid-scale models and the sensitivity to the Smagorinsky constant are been analysed. By coupling radiative forcing with LES, the consequences of infra-red and solar radiation on the nocturnal low level jet and on thermal gradient, close to the surface, are exposed. More, enhancement of the domain resolution to the turbulence intensity and the strong atmospheric stability during the Wangara experiment are analysed. Finally, a study of the numerical oscillations inherent to Code_Saturne is realized in order to decrease their effects