Avec 70% de la surface de la planète recouverte par les mers et les océans, la présence de particules salées, produites majoritairement par le déferlement de vagues, représente une composante majeure dans le cycle géochimique de l'atmosphère et dans le bilan radiatif terrestre. Nos connaissances doivent progresser vers une description et une modélisation des flux actuels plus précises afin d'être capable d'anticiper les changements éventuels de la composition de l'atmosphère. Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre général d'une meilleure caractérisation des particules injectées dans l'atmosphère par le déferlement des vagues. Un des objectifs est d'etudier la validité des modèles paramétriques et numériques pour prédire la variation spatio-temporelle des particules d'aérosols à l'échelle locale et régionale. Une première partie du travail est consacrée à l'étude de la variation spatiale des concentrations d'aérosols dans une zone côtière méditerranéenne. Pour ce faire, un couplage entre un code météorologique méso-échelle (RAMS) et un modèle déterministe de distributions d'aérosols développé par le LSEET (Medex)a été réalisé. Les prédictions du couplage sont confrontées aux données enregistrées lors d'une campagne expérimentale menée en mai 2007 à la station de mesures du laboratoire sur l'île de Porquerolles. Une deuxième partie du travail s'est concentrée sur l'amélioration du modèle paramétrique Medex. A partir, de données enregistrées en mai 2007, les prédictions de Medex ont été affinées, en particulier par correction de l'influence saisonnière. Dans une troisième partie, on s'est intéressé aux paramètres qui influencent les variations de concentrations en aérosols lors d'un épisode de Mistral. Il est montré que des paramètres autres que la vitesse du vent interviennent, tel que le fetch et la hauteur de la couche limite marine. Une dernière partie est consacrée au développement d'un modèle numérique de transport des aérosols. Les premiers résultats permettent de montrer l'influence de la stabilité atmosphérique sur les profils horizontaux et verticaux d'aérosols.

En période hivernale, le golfe du Lion est sujet à des conditions de vents régionaux forts (Mistral et/ou Tramontane) qui transportent des masses d'air continentales froides et sèches au dessus de la mer. Ces événements, les Cold Air Outbreaks (CAO) , conduisent à d'intenses échanges air-mer et donc à un pompage de chaleur qui favorise la formation d'eaux denses et le déclenchement de la convection océanique profonde. La bonne représentation de ces échanges air-mer intenses dans les modèles de climat et de prévision numérique du temps reste à l'heure actuelle une problématique majeure. Elle est au cœur du projet ASICS-MED centré sur compréhension des mécanismes de formation d'eaux denses en Méditerranée et qui s'inscrit dans le cadre de la thématique " Échanges air-mer intenses " du programme HyMeX dédié à l'étude du cycle de l'eau en Méditerranée. Les processus qui s'opèrent au sein de la couche limite atmosphérique marine (CLAM) et de la couche de mélange océanique (CMO) interagissent entre eux à différentes échelles spatiales et temporelles. La compréhension de l'évolution globale de la CLAM mais également des mécanismes locaux nécessitent la prise en compte de l'ensemble des processus. L'étude présentée ici est consacrée à la structure moyenne et turbulente de la CLAM en conditions de vents forts. L'objectif est de déterminer comment l'organisation du champ turbulent est impactée lors d'épisodes de CAO et d'estimer les flux de surface associés à ces conditions de vents forts. La méthodologie adoptée est basée sur l'utilisation conjointe d'observations aéroportées collectées lors de la campagne de mesure SOP2 d'HyMeX et de simulations numériques. La campagne de mesure SOP2 d'HyMeX qui a eu lieu au cours de l'hiver 2013 dans le golfe du Lion a permis de documenter grâce à l'avion de recherche ATR42 la structure moyenne et turbulente de la CLAM lors de 11 épisodes de CAO. Une analyse spectrale s'appuyant sur un modèle analytique a été réalisé sur 181 paliers (i.e. segments de vol rectilignes et stabilisés en altitude). Les profils verticaux des échelles turbulentes caractéristiques ainsi que la forme du spectre de la vitesse verticale ont permis de mettre en évidence un allongement des structures énergétiques dans l'axe du vent moyen associé à l'organisation du champ turbulent sous la forme de rouleaux longitudinaux. Une description unidirectionnelle du champ turbulent tridimensionnel peut conduire à une représentativité limitée des structures cohérentes au sein des échantillons. Cependant, la connaissance des profils de flux sur toute l'épaisseur de la CLAM est nécessaire pour l'estimation des échanges air-mer. Une méthode de correction des flux turbulents calculés par eddy correlation a été appliqué afin de prendre en compte les erreurs systématique et aléatoire relatives à la mesure et au traitement de données. Cette correction a permis de déterminer les meilleures estimations possibles des flux extrapolés à la surface avec une marge d'incertitude pour les 11 épisodes de CAO documentés lors de la campagne SOP2 d'HyMeX. La comparaison de ces estimations aéroportées aux autres sources d'information dérivées de paramétrisations des flux a permis de mettre en évidence une sous-estimation systématique du flux de chaleur latente en conditions de vents forts. Une approche numérique a permis de compléter l'analyse de la structure moyenne et turbulente de la CLAM lors d'épisodes de CAO. / During winter, local strong winds (Mistral or Tramontana) occurred in the Gulf of Lion which bring cold and dry continental air over a warmer sea. Those events, the cold air outbreaks, can lead to intense air-sea interactions which favour dense water formation and deep oceanic convection. The representation of air-sea exchanges is a fundamental aspect of of climate modelling and numerical weather forecasting. The ASICS-MED project aims to identify fine-scale processes leading to dense water formation and is a part of the "Intense air-sea exchanges" topic of the HyMeX program devoted to hydrological cycle in the Mediterranean. The processes occurring within the marine atmospheric boundary layer (MABL) and the oceanic mixing layer (ML) interact with one another at different spatial and temporal scales. Understanding the overall evolution of the MABL but also the local mechanisms requires taking into account all the processes. The study presented here is devoted to the mean and turbulent structure of the MABL under strong wind conditions. The objective is to determine how the organization of the turbulent field is impacted during CAO events and to estimate the surface fluxes associated with these strong wind conditions. The methodology adopted is based on the joint use of airborne observations collected during the HyMeX-SOP2 field campaign and numerical simulations. The HyMeX-SOP2 field campaign took place during the winter of 2013 in the Gulf of Lion. The research aircraft ATR42 was operated to document the mean and turbulent structure of the MABL during 11 CAO events. A spectral analysis based on an analytic model was carried out on 181 legs (i.e. stacked straight and level runs stabilized in altitude). The vertical profiles of the turbulent characteristic scales as well as the shape of the vertical velocity spectrum revealed an elongation of the energy structures in the mean wind direction associated with the organization of the turbulent field into longitudinal rolls. A unidirectional sampling of the three-dimensional turbulent field may lead to a limited representativeness of the coherent structures within the samples. However, knowledge of kinematic fluxes profiles over the entire thickness of the CLAM is necessary to estimate air-sea exchanges. A correction method was applied to turbulent fluxes calculated by eddy correlation in order to take into account systematic and random errors related to measurement and data processing. This correction made it possible to determine the best possible estimates of the extrapolated surface fluxes with a margin of uncertainty for the 11 CAO events documented during the HyMeX-SOP2 field campaign. The comparison of these airborne estimates with the other sources of information derived from bulk parameterizations show a systematic underestimation of the latent heat flux under strong wind conditions. A numerical approach allowed to complete the analysis of the mean and turbulent structure of the MABL during CAO events. The numerical study, based on the non-hydrostatic Meso-NH model, focuses on an episode of strong Tramontana with winds greater than 25m/s documented during the HyMeX-SOP2 field campaign. In a first step, a one-dimensional framework made it possible to understand the forcing terms necessary to reproduce in a realistic way the development of the observed MABL. This reference configuration allowed, in a second time, a Large-Eddy Simulation of the CAO event. This simulation has been validated using airborne data and has allowed to deepen the description of the turbulent field as well as the evolution of the coherent structures oriented in the axis of the mean wind.

L'objectif principal est l'étude de l'état de la mer et de ses relations avec les flux turbulents d'énergie et avec le signal radar rétrodiffusé. L'étude est basée sur les données de l'expérience FETCH (« Flux, Etat de la mer et Télédétection en Conditions de fetcH limité ») qui s'est déroulée dans le golfe du Lion, Méditerranée Occidentale, en Mars-Avril 1998. L'état de la mer a été étudié à partir de mesures in situ (bouées), et par télédétection aéroportée (radar RESSAC) et spatiale (altimètres TOPEX et ERS). Plusieurs états de mer (mer en développement, mer mixte et houle) associées à des situations météorologiques variées (Mistral, Tramontane, ou Marin) ont été analysés. La séparation du spectre des vagues en composantes de mer du vent (vagues générées par le vent local) ou houle a permis de classifier les états de mer. La loi de croissance des vagues a été établie pour les cas de pure mer observés localement par la bouée. . Cette loi diffèresensiblement de celles citées dans la littérature. Ce jeu de données a servi de base à une étude comparative entre modèles de prévision et observations, qui a montré la nécessité, pour cette région côtière, d'utiliser un champ de vent et un modèle d'état de mer de fine résolution spatiale. Une analyse de l'influence de l'état de la mer sur les flux de quantité de mouvement a été menée à partir des données de turbulence acquises sur une bouée (ASIS) et du navire de recherche (Atalante). En condition de mer du vent, l'influence de l'âge des vagues sur les flux de quantité de mouvement a été montrée. Mais aucune relation entre la pente significative des vagues et les paramètres des flux turbulents n'a été mise en évidence sur les données de l'expérience FETCH. L'analyse du signal radar à faible incidence (autour de 12°) a montré une dépendance très faible de la moyenne quadratique des pentes de la surface aux paramètres tels que la force du vent, l'âge ou la pente significative des vagues.

La physique de la couche limite atmosphérique en domaine océanique est principalement régie par les processus couplés liés au vent, à l’état de mer local, et à des effets de flottabilité. Leur compréhension reste néanmoins parcellaire et leurs descriptions théoriques et stochastiques sont pour le moins lacunaires, lorsqu’elles ne sont tout simplement pas mises à mal par les rares observations. Dans un contexte d’exploitation croissante de la ressource éolienne offshore, la mise en place de méthodes numériques visant à une description plus fine des propriétés turbulentes de cette couche limite sera une étape déterminante dans la réduction des coûts et l’optimisation des structures pour des rendements de récupération d’énergie améliorés. Ainsi, un outil numérique a été mis en place afin d’étudier le couplage entre un écoulement atmosphérique et l’état de mer. Un code Large-Eddy Simulation massivement parallèle pour la simulation des écoulements atmosphériques incompressibles développé par P. Sullivan au National Center for Atmospheric Research est couplé à un code spectral d’états de mer non-linéaires développé au Laboratoire de recherche en Hydrodynamique, Energétique et Environnement Atmosphérique. De nombreuses configurations de vents et d’états de mer sont modélisées. On montre que les lois semi empiriques souvent utilisées pour représenter la distribution verticale de la vitesse moyenne du vent sont une bonne approximation dans les situations où un petit état de mer est soumis à un fort vent. Néanmoins, dans le cas de houles très rapides se propageant dans des zones de faible vent, la création d’un jet de vent par la houle invalide ces lois semi-empiriques. / Modelling the dynamic coupling of ocean-atmosphere systems requires a fundamental and quantitative understanding of the mechanisms governing the windwave interactions: despite numerous studies, our current understanding remains quite incomplete and, in certain conditions, sparse field observations contradict the usual theoretical and stochastic models. Within the context of a growing exploitation of the offshore wind energy and the development of met ocean models, a fine description of this resource is a key issue. Field experiments and numerical modelling have revealed that atmospheric stability and wave effects, including the dynamic sea surface roughness, are two major factors affecting the wind field over oceans. A numerical tool has been implemented in order to study the coupling between an atmospheric flow and the seastate. A massively parallel large-eddy simulation developed by P. Sullivan at the National Center for Atmospheric Research is then coupled to a High-Order Spectral wave model developed at the Hydrodynamics,Energetics & Atmospheric Environment Laboratory in Ecole Centrale de Nantes. Numerous configurations of wind and sea states are investigated. It appears that, under strongly forced wind conditions above a small sea state, the semi-empirical laws referred to as standards in the international guidelines are a good approximation for the vertical profile of the mean wind speed. However, for light winds overlying fast-moving swell, the presence of a wave induced wind jet is observed, invalidating the use of such logarithmic laws.