Cette thèse porte sur l'influence de la couche limite convective et nuageuse sur la réactivité chimique en Afrique de l'Ouest. Pour répondre à cette question, des simulations à haute résolution (50m) sont réalisées sur le modèle atmosphérique Méso-NH couplé à un mécanisme chimique détaillé représentant la chimie gazeuse et aqueuse. Cette échelle spatiale permet de représenter explicitement les caractéristiques spatiales et temporelles des structures turbulentes. Les thermiques en couche limite sont identifiés à l'aide d'un échantillonnage conditionnel basé sur l'utilisation d'un traceur passif à décroissance radioactive. L'impact du transport turbulent sur la redistribution d'espèces chimiques dépend du temps de vie chimique de ces espèces. La ségrégation spatiale créée au sein de la couche limite augmente ou réduit les taux de réaction moyens entre composés. La campagne de terrain AMMA, et plus récemment DACCIWA, sont utilisées pour définir des forçages dynamiques et chimiques pour des environnements simulés. Le premier est représentatif d'un environnement biogénique dominé par des émissions naturelles de COV. Le second reproduit un environnement urbain modérément pollué typique du Golfe de Guinée (Cotonou au Bénin). Pour simplifier, l'analyse des simulations est limitée aux réactions chimiques entre OH et l'isoprène dans le cas biogénique, entre les aldéhydes C>2 et OH dans le cas urbain. L'influence de la couche limite convective est étudiée à l'échelle du thermique et du domaine. Cela permet une connexion avec les modèles à résolution plus lâche qui adoptent une hypothèse de mélange parfait et immédiat, négligeant de fait les variabilités spatiales de composés chimiques au sein d'une maille. Les premiers résultats, basés sur la phase gazeuse uniquement, montrent que les nuages en couche limite convective affectent le transport vertical d'espèces chimiques. Les thermiques sont des zones de réactions privilégiées où la réactivité chimique est maximale. La plus grande intensité de ségrégation est calculée au sommet de la couche limite, toutefois de signes opposés entre les deux environnements. En environnement biogénique, le mélange non-homogène de l'isoprène et de OH dans cette zone induit une diminution maximale de 30% du taux de réaction moyen. Dans le cas urbain, la constante de réaction effective entre OH et les aldéhydes est supérieure de 16% à la constante moyenne. La réactivité de OH est supérieure de 15 à 40% dans les thermiques comparé au reste du domaine, dépendant de l'environnement chimique et de l'heure. Comme les thermiques occupent une faible portion du domaine, l'impact des structures turbulentes sur la réactivité totale de OH est une diminution de 9% pour le cas biogénique et une augmentation maximale de 5% dans le cas anthropique. Des simulations LES incluant la réactivité aqueuse révèlent une baisse importante des rapports de mélange de OH associée à la présence de nuages. / This thesis focuses on the influence of the convective and cloudy boundary layer on the chemical reactivity in West Africa. To answer this question, high resolution simulations (50m) are performed on the atmospheric model Meso-NH coupled to a detailed chemical scheme representing the gaseous and aqueous phases. This spatial scale allow to explicitly represent the spatial and temporal characteristics of turbulent structures. Thermals in the boundary layer are identified by a conditional sampling based on a radioactive-decay passive scalar. The turbulent transport influence on the redistribution of chemical species depends on the chemical lifetimes of these species. Spatial segregation is created within the convective boundary layer that increases or decreases the mean reaction rates between compounds. AMMA campaign field study, and more recently DACCIWA, are used to define dynamical and chemical forcing of two simulated environments. The first one is representative of a biogenic environment dominated by natural emissions of VOC. The second reproduces a moderately polluted typical urban area of the Guinean Gulf (Cotonou in Benin). For the sake of simplicity, simulations analysis are limited to the chemical reaction between isoprene and OH in the biogenic case, and the reaction between C>2 aldehydes and OH in the anthropogenic case. The convective boundary layer influence is studied at thermal and domain scale. This makes the connection with coarse resolution models for which a hypothesis of perfect and immediate mixing is made, neglecting the spatial variability of chemical species within a grid cell. The first results are based on the gaseous phase only. Cloudy development in the convective boundary layer only affects the vertical transport of chemical species. The simulations show that thermals are preferential reaction zones where the chemical reactivity is the highest. The top of the boundary layer is the region characterized by the highest calculated segregation intensities but of the opposite sign in both environments. In the biogenic environment, the inhomogeneous mixing of isoprene and OH in this zone leads to a maximum decrease of 30% of the mean reaction rate. In the anthropogenic case, the effective rate constant for OH reacting with aldehydes is 16% higher at maximum than the averaged value. The OH reactivity is higher by 15 to 40% inside thermals compared to the surroundings depending on the chemical environment and time of the day. Because thermals occupy a small fraction of the simulated domain, the impact of turbulent motions on the domain-averaged OH total reactivity reaches a maximum 9% decrease for the biogenic case and a maximum of 5% increase for the anthropogenic case. LES simulations including the aqueous reactivity reveal a significant decrease in OH mixing ratios associated to the presence of clouds. Consequently, isoprene and C>2 aldehydes mixing ratios increase at these altitudes.

Ce travail est consacré à la modélisation des stries dans une couche limite laminaire et à l'étude de leur influence sur la transition. Dans une première partie, on présente une modélisation de ces structures longitudinales en utilisant les équations de Navier-Stokes paraboliques. La résolution numérique est basée sur des schémas de projection, de type Chorin-Temam, associés à des méthodes de discétisation spectrales. Ce modèle parabolique est appliqué au problème de réceptivité de la couche limite laminaire vis-à-vis de différentes perturbations extérieures. La dernière étape du processus de transition vers la turbulence est abordée par une étude de stabilité linéaire ainsi qu'une simulation numérique directe. Enfin on propose un modèle pragmatique pour reproduire la dynamique des stries et estimer le seuil de transition 'bypass'. Sur l'ensemble, on a cherché à comparer les résultats à différents travaux expérimentaux existants.

Ce travail, réalisé dans le cadre d'une convention de thèse Cifre avec Thales Underwater Systems, et cofinancé par DCNS, vise à améliorer la prédiction du bruit propre hydrodynamique d'une antenne sonar, dû aux fluctuations de pression dans la couche limite qui se développe le long du dôme. Les estimations de bruit reposent en général sur des modèles semi-empiriques qui ne tiennent que partiellement compte de la flexibilité du dôme. La présente étude reconsidère le problème du bruit hydrodynamique dans le cas-type simplifié d'une couche limite instable le long d'une plaque plane élastique. La première partie du travail est consacrée à la simulation numérique directe d'un écoulement de couche limite bidimensionnel, caractérisé par un nombre de Reynolds hautement supercritique, le long d'une paroi élastique encastrée. La résolution des équations de Navier-Stokes incompressibles repose sur un changement de variables évolutif au cours du temps, associé à une discrétisation spatiale mixte différences finies – collocation Chebyshev. Une méthode de pas fractionnaire permet d'assurer un couplage fort entre le modèle de paroi élastique et le système fluide. Un forçage en vitesse est injecté dans ce dernier, à des fréquences instables et des amplitudes suffisamment élevées, afin de donner lieu à des instabilités convectives et saturées non linéairement, qui interagissent avec les mouvements de la paroi. Cette dernière vibre autour d'un état déformé initial résultant du couplage avec l'écoulement non perturbé. Des parois de longueurs et de matériaux variés ont été testées en vue de caractériser les vibrations, en termes de niveaux et de structures spatiales, ainsi que leur rétroaction sur les instabilités de l'écoulement, en fonction des valeurs des fréquences propres de la paroi. Dans les divers cas étudiés, on observe que le spectre de pression pariétale est enrichi par des composantes modales, à très bas nombres d'ondes et relativement hautes fréquences, qui peuvent donner lieu à un rayonnement plus important. Un post-traitement est mis en oeuvre afin d'estimer le bruit généré par les fluctuations de vitesse dans la couche limite. La pression rayonnée dans l'écoulement uniforme est évaluée à partir des données acquises au cours des simulations, dans le cadre de l'analogie de Lighthill. Le calcul, effectué dans le domaine spectral, repose sur l'utilisation d'une fonction de Green dont l'expression tient compte de la présence de la paroi souple. Dans cette approche, les vibrations de la paroi induisent à certaines fréquences, en particulier aux fréquences propres de la paroi, des niveaux de pression rayonnée supérieurs à ceux du cas rigide, en favorisant la présence de structures spatiales plus larges. D'autres modèles, élaborés à partir de la même formulation, mais tenant compte de la compressibilité de la couche limite dans le calcul des contributions vibratoires, mettent en évidence une nette augmentation des niveaux de pression rayonnée sur paroi souple dans une large gamme de fréquences, de part et d'autres des fréquences propres, lorsque ces dernières sont distinctes des fréquences de forçage, ainsi que l'apport de la prise en compte d'un couplage fort par rapport aux approches classiques basées sur une hypothèse de couplage faible. Enfin, une étude expérimentale en tunnel hydrodynamique est mise en place en vue de mesurer les vibrations d'une plaque élastique, encastrée dans un support rigide, et soumise à un écoulement transitionnel ou turbulent, ainsi que le bruit rayonné dans la cavité sous-jacente à la plaque, instrumentée avec un hydrophone. Les résultats de la campagne de mesures, qui repose sur les techniques de vibrométrie laser et de vélocimétrie laser Doppler, sont détaillés et analysés.

L'ozone troposphérique, polluant secondaire affectant la santé des êtres vivants, concerne particulièrement le département des Alpes-Maritimes au cours de la saison photochimique. Espace littoral montagneux, ce territoire est largement dominé durant l'été notamment par des conditions anticycloniques permettant aux brises thermiques de s'exprimer. Ce régime de vent est au cœur de la problématique de la pollution par l'ozone puisqu'il entraîne fréquemment une accumulation des polluants primaires et secondaires au fil des jours au sein de la même masse d'air. Bien qu'étant un département faiblement industrialisé, les Alpes-Maritimes sont victimes d'un fort ensoleillement qui permet aux polluants primaires, émis majoritairement par le trafic routier près du littoral et par la végétation dans l'arrière-pays, de produire de l'ozone.<br />A travers les données de pollution issues du réseau de surveillance de la qualité de l'air d'AtmoPACA ainsi qu'à partir de très nombreuses mesures de terrain, l'objectif est de mieux appréhender les relations entre la variabilité spatiale et temporelle de l'ozone et celle des conditions météorologiques à différentes échelles. Après avoir détaillé l'historique des mesures d'ozone et de dioxyde d'azote disponibles dans le département, une première approche à macro-échelle est menée entre les réanalyses du NCEP et les niveaux de pollution par l'ozone dans neuf stations de mesures des Alpes-Maritimes. Ce premier niveau d'analyse permet de définir les configurations météorologiques générales caractérisant un épisode de pollution par l'ozone. La présence d'une dorsale anticyclonique sur l'Europe de l'ouest, associée à de faibles vitesses de vent, de faibles taux d'humidité relative en surface et d'une faible vorticité relative, provoque une dégradation de la qualité de l'air dans le département.<br /> Un second niveau d'analyse est alors abordé : il s'agit de préciser à méso-échelle et à micro-échelle les conditions météorologiques propices à de fortes concentrations d'ozone. Pour cela des campagnes de mesures itinérantes d'ozone sont effectuées dans l'ensemble du département ; une importante base de données est constituée sur la commune de Nice et dans ses alentours. Le recours au modèle météorologique RAMS permet alors de mieux comprendre la variabilité spatiale et temporelle de l'ozone induite par les conditions climatiques locales. Les variables météorologiques les plus corrélées aux concentrations d'ozone sont la vitesse du vent en surface, l'énergie cinétique turbulente, la hauteur de la couche limite atmosphérique et l'humidité relative. Tout indique que moins le volume d'air dans lequel les polluants primaires sont émis est important, et moins l'intensité du brassage de l'air est forte, alors plus les concentrations d'ozone sont élevées. Il semblerait également que ces conditions locales du temps aient plus d'influence sur les niveaux de pollution par l'ozone que la configuration synoptique à macro-échelle. Bien qu'étant nécessaire, la présence d'un anticyclone sur l'Europe de l'ouest n'est pas suffisante pour expliquer le comportement de l'ozone localement dans les Alpes-Maritimes.<br />Parallèlement à ces différentes approches, les origines spatiales de la pollution photochimique affectant cet espace littoral montagneux sont recherchées. L'advection d'importantes quantités d'ozone par la brise de mer en journée indique que ce polluant s'accumule au dessus de la mer ; excepté ce phénomène d'accumulation induit par des aller-retour de la masse d'air guidée par l'alternance entre la brise de mer et la brise de terre, l'origine des fortes concentrations d'ozone au dessus de la mer n'est pas clairement comprise. Il semblerait qu'un schéma de recirculation des masses d'air en trois dimensions permette la création d'un empilement de couches stratifiées sur la mer.

Cette étude porte sur les données de la campagne de mesure ESCOMPTE. Son but est d'analyser la structure verticale de la basse troposphère en liaison avec le transport et la diffusion des polluants. Cette analyse montre en particulier la difficulté à définir une couche limite comme on le fait classiquement. Elle permet de mettre en évidence la superposition complexe de couches limites internes, surtout près des côtes. L'étude de l'épaisseur de la couche dans laquelle la pollution est soit diluée, soit accumulée, montre que le mélange reste bloqué près de la surface, près des côtes par régime de brise de mer, alors qu'il est advecté et réparti sur une épaisseur plus conséquente sur les montagnes. Paradoxalement, la concentration en ozone sera, en régime de brise, plus faible en bordure de mer, près des sources (titration) alors que sur les montagnes, les forts développements de couche limite vont contribuer à intégrer de l'ozone de la basse troposphère, issu de couches limites lointaines, ce qui augmentera les concentrations locales.

La pollution atmosphérique à l'échelle régionale est le bilan des interactions entre des processus très différents: les émissions , la chimie, le transport, le mélange et le dépôt des espèces gazeuses. La prévision de la qualité de l'air nécessite donc l'utilisation de modèles, qui prennent en compte les émissions par le biais de cadastres. Les concentrations de polluants simulées dépendent fortement des émissions utilisées. Or, les cadastres utilisés pour les représenter comportent de grandes incertitudes. Comme il est difficile actuellement d'affiner leurs méthodes de construction, il reste la possibilité d'ajouter de l'information aux cadastres existant. L'optimisation des émissions utilise l'information contenue dans les mesures pour obtenir le cadastre qui minimise la différence entre les concentrations simulées et mesurées.<br /><br />Une méthode d'inversion des émissions anthropiques à l'échelle régionale, utilisant les mesures de routine et basée sur le modèle CHIMERE et son adjoint, a été élaborée et validée. Une technique de krigeage permet d'utiliser de façon optimale les informations disponibles dans l'espace des concentrations. L'enchaînement de cycles krigeage-optimisation améliore la qualité des résultats. Une technique d'agrégation spatiale dynamique est utilisée pour réduire la dimension du problème.<br /><br />Les émissions de NOx du cadastre élaboré par AIRPARIF pour l'Ile-de-France ont été inversées pendant les étés 1998 et 1999, les épisodes de la campagne ESQUIF étant étudiés en détail. L'optimisation corrige des écarts importants entre concentrations mesurées et simulées. Cependant, d'une façon générale, le niveau de fiabilité des résultats diminue avec la densité du réseau de mesure. Les résultats présentant le plus haut niveau de confiance concernent donc les flux d'émission les plus intenses d'Ile-de-France. Les corrections apportées à la masse moyenne émise dans l'ensemble du domaine et aux profils temporels correspondant sont en accord avec l'estimation de l'incertitude sur le cadastre pour les NOx (15%) obtenue lors de la campagne ESQUIF.

La prévision des phénomènes de pollution atmosphérique est l'objectif central de la campagne ESCOMPTE-2001, qui s'est déroulée durant l'été 2001 dans la région très hétérogène de Marseille/Fos/Berre. Cet objectif nécessite une bonne compréhension et prise en compte, par les modèles numériques de physico-chimie, des processus physiques intervenant dans la Couche Limite Atmosphérique (CLA), au sein de laquelle s'effectuent le transport et la diffusion des polluants émis en surface.<br />Dans le cadre de la campagne ESCOMPTE-2001, ce travail de thèse est consacré à l'étude de la basse troposphère en période de brise de mer, situation météorologique défavorable à la qualité de l'air des zones côtières. Il a permis notamment de mettre en évidence une oscillation de l'intensité de la brise de mer et des compétitions de brises de mer locales et régionales, qui modifient le temps d'advection de l'air marin sur la surface terrestre et ont donc des répercussions importantes sur le développement de la CLA et sa concentration en polluants. Ces travaux s'appuient principalement sur le réseau de quatre radars profileurs de vent UHF mis en place sur la zone côtière de Marseille/Fos/Berre, permettant une description en trois dimensions et en continu dans le temps des écoulements de brises de mer et de la CLA.<br />Pour les besoins de cette étude phénoménologique, des développements méthodologiques sont apportés sur la mesure des propriétés turbulentes de la CLA par les radars UHF (termes du bilan de l'énergie cinétique turbulente) et sur leur utilisation en réseau pour l'étude de la trajectographie de panaches de polluants.

Les Modèles de Chimie-Transport (CTM) simulent aujourd'hui de façon assez réaliste les concentrations des espèces responsables de la pollution photochimique estivale. Cependant, la complexité des phénomènes mis en jeu et la variabilité spatiale et temporelle des émissions de polluants sont telles que, quel que soit le modèle utilisé, il est impossible de reproduire parfaitement ces concentrations. Lorsqu'un paramètre interne ou d'entrée du modèle est mal décrit une erreur importante peut etre observée certains jours. Le modèle CHIMERE est un CTM couvrant la majeur partie de l'Europe avec une résolution d'une cinquantaine de kilomètres. Il offre la possibilité de zoomer et de simuler de façon plus détaillée les concentrations des polluants sur des régions clefs, telles que l'Ile-de-France et la région de Berre et de Marseille.<br /><br />Les simulations de ce modèle ont été compaés avec des observations de surface et des données aéroportées de la campagne d'Etude et Simulation de la QUalité de l'Air en Ile-de-France (ESQUIF) à l'échelle européenne et régionale. Cette comparaison a permis ainsi de quantifier l'erreur globale commise sur les concentrations d'ozone et de son précurseur, le dioxyde d'azote. Différentes méthodes (Interpolation Statistique, Krigeage) ont été testées et adaptées au cas de la pollution dans le but de corriger cette erreur. Elles ont été comparées et validées de manière objective. Il a été montré que la combinaison des observations de surface et des simulations du modèle permet d'obtenir efficacement des cartes tridimensionnelles (i.e. des analyses) de concentration des deux polluants, plus réalistes que les simulations brutes.<br /><br />Les expériences menées depuis trois ans dans le cadre du projet PIONEER (Prévisibilité et Incertitude de l'Ozone à l'échelle Européenne et Régionale) montrent que l'erreur de prévision peut éventuellement se propager d'une région vers une autre. Les analyses des concentrations d'ozone, produites à l'échelle européenne ont été également utilisées pour réinitialiser le modèle de prévision. L'objectif était alors de savoir s'il est possible d'améliorer aussi les prévisions à court termes en utilisant de meilleurs états initiaux que les prévisions de la veille.

Dans le but de mieux comprendre les phénomènes fondamentaux de l'érosion hydraulique des sols, nous étudions la relation entre la quantité locale de matière érodée et la contrainte locale exercée par l'eau sur le sol. La situation considérée est celle d'un écoulement bidimensionnel stationnaire, diphasique, turbulent, sur un sol immobile. Les équations dynamiques et les équations de conservation de la masse sont résolues simultanément. Les équations de Rankine-Hugoniot sont utilisées pour décrire les conditions de saut aux limites à l'interface eau-sol, et une loi d'érosion est fixée pour quantifier la quantité de matériaux érodés. Nous considérons ici deux types de lois d'érosion, l'une de type limite de plasticité, et l'autre proportionnelle à la différence entre la contrainte pariétale exercée par l'écoulement et la contrainte critique caractéristique du sol. Ce travail nous a permis d'étudier l'influence des différents paramètres mis en jeu, en particulier l'inclinaison du sol pour deux configurations différentes (écoulement de type couche limite et à surface libre), et l'introduction d'une loi différentielle de diffusion turbulente, tenant compte entre autre, du gradient de pression vertical au sein de l'écoulement et de la taille des sédiments. Les résultats obtenus montrent l'existence d'un fort couplage entre l'écoulement, l'érosion et les sédiments érodés en suspension, et notamment, pour des écoulements de type couche limite, la mise en évidence d'une pente critique du sol, à partir de laquelle l'érosion est amplifiée par la présence des sédiments déjà érodés. Cette modélisation, qui a l'originalité de proposer une description locale du phénomène d'érosion, se veut être un outil pratique et simple qu'il faudra chercher à confronter à des résultats expérimentaux, pour valider les lois théoriques utilisées dans la modélisation.

Dans l'optique de développer à terme des modèles pertinents et in fine améliorer le design de véhicules supersoniques, cette étude propose une analyse détaillée de l'influence d'un choc et d'un transfert de chaleur sur la structure de la turbulence au sein d'une couche limite supersonique. La stratégie numérique utilisée repose sur des simulations numériques directes des équations de Navier-Stokes à l'aide de schémas WENO et compact d'ordre élevé. Le développement complet de la couche limite est simulé à l'aide d'un forçage amont à la paroi afin de s'assurer du plus haut degré de réalisme dans la zone d'étude. Des conditions de séparation naissante et deux conditions thermiques de paroi (adiabatique et refroidie) sont considérées. L'analyse se concentre sur l'altération des caractéristiques moyennes et turbulentes à travers la zone d'interaction et au sein de la zone de relaxation, sur la base de profils moyens et de paramètres intégraux. L'amplification anisotrope des variables turbulentes est quantifiée tandis que les évènements turbulents associés à la modification de la structure globale sont identifiés. La forte modification des champs thermiques moyens et turbulents par le refroidissement est mise en exergue, notamment la diminution significative des quantités turbulentes à travers la couche. Par ailleurs, la réduction à la fois des longueurs d'influence amont, de séparation et de relaxation est mise en évidence.