L'objectif de cette thèse est d'étudier la capacité des modèles météorologiques à prévoir des épisodes de cisaillements de vent dans les basses couches de l'atmosphère sur une zone limitée à un aéroport et d'examiner l'apport pour la modélisation d'observations locales à haute fréquence. Nous avons choisi l'aéroport international de Nice, régulièrement soumis à des variations rapides de la direction et de l'intensité du vent selon l'horizontale dans la CLA, appelées aussi renverses. Un pro leur de vent et trois anémomètres sont installés sur les pistes de l'aéroport. Au début de l'année 2009, une campagne de mesures incluant un lidar vent à balayage et un anémomètre sonique s'est déroulée sur l'aéroport fournissant des observations complémentaires. L'ensemble des mesures à haute fréquence temporelle et des simulations numériques obtenues avec le modèle de recherche Méso-NH à 2.5 km de résolution, a fourni une vision de l'enchaînement complexe des écoulements conduisant à des cisaillements de vent d'origine différente. Cette complémentarité a aussi permis d'estimer la capacité du modèle numérique à reproduire les cisaillements de vent. Pour les trois situations étudiées, il reproduit la structure horizontale et verticale de l'écoulement malgré des erreurs de placement spatio-temporel. Bien que les écoulements locaux participent à la mise en place des conditions nécessaires au cisaillement de vent, c'est l'écoulement de méso-échelle (ondes piégées ou talweg d'altitude) qui va déterminer la position du phénomène. Nous avons réalisé des comparaisons avec le modèle opérationnel de Météo-France AROME ainsi que des tests de sensibilité pour étudier l'in uence des conditions de couplage et de la résolution. Nous avons, en particulier, augmenté la résolution horizontale de 2.5 km à 500 m sur un domaine centré sur l'aéroport de Nice sur les situations étudiées. Une résolution de 500 m permet d'améliorer la représentation d'écoulements locaux et de variations locales du vent mais n'améliore pas la position des cisaillements de vent par rapport à une échelle plus grossière. L'extension horizontale limitée du domaine à haute résolution augmente la sensibilité aux conditions aux limites de grande échelle. Pour améliorer les prévisions et contraindre le modèle numérique vers les observations disponibles sur le site d'étude, un système l'assimilation de données basé sur le 'nudging' et permettant de prendre en compte des données à haute fréquence temporelle, le "nudging direct et rétrograde" (BFN pour 'Back and Forth Nudging'), a été mis en place. Nous avons appliqué cet algorithme aux équations de Lorenz pour con rmer le comportement de cette méthode par rapport à des résultats publiés antérieurement avec d'autres méthodes d'assimilation de données. Les résultats encourageants, ont conduit à l'introduction du BFN dans Méso-NH. Nous avons mis en place des simulations avec assimilation de données simulées dans des conditions idéalisées qui ont montré une réponse cohérente du modèle numérique à l'introduction de pro ls verticaux de vent.

L'étude se concentre sur l'analyse de la dynamique de la Couche Limite Atmosphérique stable et hivernale en vallée, notamment dans des situations conduisant à des épisodes de pollution particulaire. L'analyse est effectuée à partir de simulations numériques de type LES et de mesures locales. Dans une première partie, on étudie les vents catabatiques prenant naissance sur les pentes des vallées encaissées. On montre qu'ils sont instationnaires, inhomogènes et turbulents, que leur diffusivité turbulente évolue quadratiquement avec le nombre de Froude et décroît avec la stratification ambiante. On s'intéresse ensuite au champ d'ondes internes généré par ces vents. On trouve que sa fréquence ne dépend que de la stratification et est indépendante des caractéristiques des vents qui lui donnent naissance. Dans une seconde partie, on s'intéresse au système de vents de vallées et aux inversions thermiques dans les vallées Grenobloises. Les conditions météorologiques conduisant aux épisodes de pollution sont étudiées et leur lien avec les mécanismes précédents est explicité. On montre que ces épisodes se déroulent toujours dans un contexte anticyclonique, sont induits par la présence d'une inversion et que leur évolution est liée à celle des régimes de temps. Pendant ces épisodes, le système de vents local est toujours similaire, indépendant du régime synoptique et constitué de vents thermiques, dont l'organisation spatiale est gouvernée par la géométrie du site. Ces courants sont contenus dans la couche d'inversion qui persiste pendant toute la durée de l'épisode et n'est pas détruite si l'énergie solaire est insuffisante. Le seuil énergétique correspondant est mis en évidence.

Ce travail comporte deux parties indépendantes: la première concerne les suspensions de particules anisotropes en écoulement élongationnel, la seconde porte sur l'étude en lois d'échelle des couches limites en convection thermosolutale. L'écoulement de suspensions de particules anisotropes présente en déformation élongationnelle des propriétés spécifiques liées à la géométrie des particules. Après la mise en oeuvre d'une cellule d'écoulement à orifice relisant une sollicitation élongationnelle bien définie, des suspensions de fibres non-browniennes sont étudiées dans deux régimes de concentration. En régime dilué, les résultats expérimentaux concernant la dynamique d'orientation d'une fibre sont bien décrits par les équations d'orientations du vecteur directeur obtenues analytiquement. En régime semi-dilué, l'écoulement présente une structuration remarquable, qui est étudiée en fonction de la fraction volumique et du rapport de forme des particules. Un modèle d'écoulement obtenu en minimisant l'énergie dissipée permet d'interpréter les résultats expérimentaux en termes de viscosité élongationnelle, et en relation avec les propriétés de la suspension à l'échelle des particules. Les écoulements de couche limite au voisinage d'une paroi verticale dans un milieu fluide soumis a des gradients de température et de concentration horizontaux présentent une grande variété de situations suivant la valeur des paramètres adimensionnels du problème. Une analyse combinant raisonnements en loi d'échelle et méthode intégrale permet de prédire complètement les différents régimes d'écoulement et les variations des couches limites. Les résultats sont corroborés par des solutions de similitude obtenues numériquement.

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

Le but de cette étude est l'analyse de la stabilité et des propriétés de réceptivité de l'écoulement tridimensionnel au bord d'attaque d'une aile en flèche. Le projet est divisé en deux parties: (i) le calcul de l'écoulement de base stationnaire comme une solution de l'état d'équilibre de Navier-Stokes et (ii) l'étude du problème aux valeurs propres direct et adjoint obtenu en linéarisant les équations de Navier-Stokes autour de l'écoulement de base. Un code DNS a été développé sur la base d'un cadre multigrid. La solution des équations de Navier-Stokes non linéaires et stationnaires à différents nombres de Reynolds est obtenue à un coût de calcul de près de O(n), où n est le nombre de degrés de liberté du problème. L'étude de la stabilité et des propriétés de réceptivité est effectuée en résolvant numériquement le problème aux valeurs propres / vecteurs propres. Un algorithme de Krylov-Schur, couplé avec une transformation shift-invert, est utilisé pour extraire la partie la plus intéressante du spectre. Deux branches peuvent être identifiées et l'une d'elles est associée à des vecteurs propres montrant une connexion entre les modes caractéristique du bord d'attaque et les modes de type crossflow. Le wavemaker est localisé dans une région près du bord d'attaque. Les résultats numériques sont comparés qualitativement avec des observations expérimentales et des analyses de stabilité locale.

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'écoulement dans les turbomachines est tri-dimensionnel et instationnaire. Actuellement, les concepteurs de moteurs cherchent à réduire l'encombrement et le poids des machines. En conséquence, les interactions entre les roues, appelées interactions rotor-stator, sont renforcées. Parmi elles, l'effet potentiel remontant n'est désormais plus négligeable malgré sa rapide atténuation spatiale. Dans cette étude, cet effet potentiel remontant a été analysé sur une configuration spécialement conçue : une grille linéaire d'aubes de turbine, suivie de barreaux défilants en aval à une distance de 20% de corde axiale, simulant des aubes de rotor en aval. La grande échelle du banc d'essais facilite l'étude du comportement de la couche limite des aubes de la grille. Des mesures de pression et d'anémométrie laser à deux composantes, synchronisées avec le défilement des barreaux aval sont réalisées. Le nombre de Reynolds, basé sur la corde, est 1.6 × 105. Une grille de turbulence placée en amont de la grille d'Aube afin de pouvoir augmenter le taux de turbulence amont a été utilisée. Des résultats de mesures en absence de cette grille (faible taux de turbulence amont) sont également présentés et analysés. Une modélisation numérique, basée sur un calcul laminaire avec un préconditionnement basse vitesse pour la même configuration, a montré la déformation des lignes de courant de l'écoulement dans le canal inter-aubes, en fonction de la position du barreau aval. La distribution de pression autour de l'aube est également périodiquement modifiée. Les résultats stationnaires expérimentaux, en absence de tout barreau aval, ont révélé un décollement de la couche limite à l'extrados de l'aube à bas taux de turbulence amont(Tu−am = 1.2%) qui est supprimé à haut taux de turbulence amont (Tu−am = 4.2%) ; la couche limite commence alors sa transition par un mode by-pass. Aucun effet instationnaire dans la couche limite n'a été observé à l'intrados, quel que soit le taux de turbulence amont. L'étude instationnaire, avec le défilement des barreaux en aval, a permis de mettre en évidence un décollement périodique de la couche limite à l'extrados à bas taux de turbulence amont (Tu−am = 1.8%). Dans ce cas, la couche limite suit deux modes de transition au cours d'une période : une transition par décollement et une transition bypass. Au contraire, dans le cas à fort taux de turbulence amont (Tu−am = 4.0%), aucun décollement de la couche limite n'a été décelé. La couche limite est sujette à l'effet instationnaire à l'extrados. Elle est devenue turbulente au bord de fuite à tout instant par un mode by-pass. Cette étude a montré que l'effet potentiel issu d'un roue en aval est du même ordre de grandeur que les effets de sillage et doit être pris en compte dans l'analyse des phénomènes. Par des méthodes d'indexation de roues, le décollement de la couche limite pourrait être supprimé.

Les villes concentrent les activités humaines, par là-même des sources de pollution importantes. Elles jouent un rôle majeur en matière de qualité de l'air et de changement climatique. Quantifier l'impact des émissions urbaines aux échelles régionale et globale nécessite de caractériser l'export des polluants anthropiques urbains. Dans le cadre de ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés à la distribution des oxydes d'azote (NOx) en région parisienne, en particulier à l'influence de la variabilité de l'épaisseur de la couche limite sur leur distribution verticale. Pour ce faire, nous avons analysé, comparé et confronté les mesures d'instruments déployés au sol et dans l'espace : mesures in-situ de NO2 du réseau AIRPARIF, colonnes intégrées de NO2 du spectromètre UV-visible SAOZ de la station Qualair et des instruments spatiaux SCIAMACHY et GOME-2, hauteur de couche limite du microlidar rétrodiffusion de la station Qualair. La construction de cette base de données a nécessité de nombreux développement algorithmiques, qu'il s'agisse de déterminer la hauteur de couche limite à partir des observations lidar, ou de filtrer les observations du SAOZ en présence de nuages. L'étude combinée de la variabilité de la hauteur de couche limite et de la distribution des NOx a permis de préciser les relations entre concentrations au sol et contenus intégrés selon la verticale, et a souligné l'intérêt de disposer d'une mesure intégrée depuis le sol, et en centre ville, pour estimer les émissions urbaines de NOx. Par ailleurs, ce travail a mis en évidence l'existence de gradients verticaux de NO2 prononcés dans la couche limite urbaine, l'hypothèse d'un profil vertical uniforme, souvent utilisé lors des inversions satellite, n'étant pas pertinente. À partir des observations disponibles, nous avons enfin établi, analysé et discuté les conditions de validité d'une relation empirique permettant de relier directement le contenu intégré de NO2 dans la couche limite à sa concentration de fond en surface.

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.