Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre de la caractérisation optique à haute cadence en temps réel. Des outils de métrologie ultrarapides ont ainsi été utilisés pour l’étude d’une source laser impulsionnelle ainsi que pour l’imagerie de phénomènes physiques. La mise en place et la caractérisation temporelle d’une source laser impulsionnelle a permis l’observation d’événements anormalement intenses pour certains régimes de fonctionnement, et ces dynamiques ont pu être confirmées numériquement. La compréhension de ces phénomènes présente un intérêt fondamentalmais également pratique, notamment en vue de limiter les dommages optiques dans les sources laser. L’utilisation d’une technique d’imagerie appelée « imagerie par étirage temporel » a permis l’observation de jets liquides à une cadence de 80MHz. Reposant sur le principe de Transformée de Fourier Dispersive, cette technique permet de rendre compte de phénomènes non-répétitifs à des cadences élevées, et ainsi d’outrepasser les limitations imposées par les systèmes d’enregistrement conventionnels. La technique a également permis l’étude d’ondes de choc générées par ablation laser, et la détermination du profil de vitesse de l’onde de choc à travers la zone de mesure. Le phénomène de réflexion d’une onde de choc sur une paroi a également pu être observé. / This PhD work is dedicated to optical characterization in real time. Ultrafast metrology tools have thus been used to study a pulsed laser source and also for physical phenomena imaging. The implementation of a temporally well characterized pulsed laser source allowed the observation of events involving abnormally high intensity, the dynamics of which have also been numerically studied and confirmed. Understanding of these phenomena addresses a fundamental and interesting need to prevent optical damage in laser sources. The use of the imaging technique called “time-stretch imaging” allowed the imaging of liquid sprays at an 80MHz repetition rate. Based on Dispersive Fourier Transform, this technique enables the study of non-repetitive events at high sampling frequency, and thus goes beyond the performance of traditional imaging devices. This technique also allowed the tracking of shockwaves, and thus profiling the shockwave’s velocity variation through its propagation along a certain measuring distance. Shockwave reflection has also been observed.

Dans le contexte du changement climatique, il est nécessaire d'affiner les informations relatives à l'évolution du climat dans un pays, susceptible d'être négativement impacté par le réchauffement global, comme le Maroc. En effet, les différentes études de projections futures, dont celles du GIEC, sont basées majoritairement sur les sorties de modèles climatiques à faible résolution qui ne permettent pas d'aborder les échelles régionales et locales. La première partie de ce travail concerne l'étude des tendances et évolutions observées au niveau du climat du Maroc à travers un certain nombre d'indices climatiques. Outre la forte variabilité interannuelle des précipitations et l'augmentation de la fréquence des sécheresses depuis le début des années 1980, la distribution des précipitations du Maroc a bien connu un changement au cours de la période 1961-2008. Ce changement, consistant en une évolution vers des conditions plus sèches, a coïncidé avec une augmentation de la température moyenne en toutes saisons. L'évaluation des changements futurs est réalisée tout d'abord à l'aide d'une descente d'échelle dynamique effectuée avec le modèle ARPEGE-Climat dans sa version à résolution variable. L'examen des capacités du modèle, dont la résolution est de l'ordre de 50km sur le Maroc, a montré son aptitude à simuler correctement la circulation de grande échelle ainsi que la variabilité interannuelle des précipitations marocaines en dépit d'une sous-estimation de leur quantité. A l'horizon 2021-2050, une baisse des cumuls généralisée à tout le pays concernerait la saison d'hiver (DJF). Si on se limite à la zone située à l'ouest des montagnes de l'Atlas, la baisse concernerait la partie la plus pluvieuse de l'année (ONDJFM). Cette baisse serait accompagnée d'une diminution du nombre de jours humides et du nombre d'événements de fortes précipitations ainsi que d'une augmentation de la persistance temporelle de la sécheresse. Ce changement de la distribution des précipitations coïnciderait avec un réchauffement qui se manifesterait à la fois aux échelles saisonnière et annuelle. Les sorties d'une dizaine de modèles régionaux de climat (MRC) du projet FP6-ENSEMBLES, sont utilisées pour balayer une partie de la marge des incertitudes relatives aux changements climatiques et notamment celles inhérentes à la modélisation. Les changements futurs issus de ces MRC, compatibles dans l'ensemble avec ceux issus d'ARPEGE-Climat, optent dans la plupart des cas pour une réduction des cumuls pluviométriques de l'hiver accompagnée généralement d'une baisse du nombre d'événements de fortes précipitations et d'une augmentation du nombre maximal de jours consécutifs secs. L'examen, réalisé à la fois à l'aide du modèle ARPEGE-Climat et des MRC d'ENSEMBLES, de la possibilité d'utilisation d'une méthode de réduction d'échelle statistique basée sur les régimes de temps de l'Atlantique nord pour la déduction des changements futurs des précipitations locales, montre la déficience de ce type d'approche dans le cas de la pluviométrie hivernale marocaine. La méthode de correction par quantiles étendues aux régimes de temps de l'Atlantique nord et appliquée aux sorties d'ARPEGE-Climat confirme le signe des changements issus de ce modèles, malgré un effet légèrement modérateur de leurs amplitudes. L'évaluation des impacts potentiels sur l'hydrologie à l'aide du modèle hydrologique GR2M et des scénarios climatiques d'ARPEGE-Climat, montre une future réduction des débits mensuels au niveau du bassin versant de la Moulouya du fait de la concomitance de précipitations moins abondantes et d'une évapotranspiration potentielle accrue par l'augmentation de température. Enfin, une descente d'échelle dynamique réalisée à l'aide du modèle à aire limitée ALADIN-Climat à très haute résolution (12km) sur la moitié nord du pays permet de confirmer dans l'ensemble les projections issues d'ARPEGE-Climat à la fois en termes de moyennes et d'extrêmes. / In the context of climate change, it is important to improve climate information concerning countries that may be negatively impacted by global warming such as Morocco. Indeed, various studies of future projections, including IPCC ones, are mainly based on the outputs of low resolution climate models that do not allow accessing the regional and local scales. The first part of this work focuses on the study and analysis of observed climate evolution and trends in Morocco through a set of climate indices. Moroccan rainfall is characterized by a high interannual variability and more frequent droughts have occurred since the early 1980s. Furthermore, a clear change is shown in the distribution of precipitation during the period 1961-2008. It consists in a shift towards warmer and drier conditions. The assessment of future climate changes is done, firstly, using a variable resolution version of the global GCM ARPEGE-Climat with high resolution over Morocco (50km). The examination of this version capability shows the ability of the model to well reproduce the large scale circulation as well as the interannual variability of Moroccan rainfall despite an underestimation of its amount. A reduction of winter rainfall over the whole country is projected by the model for 2021-2050. In the region located west of the Atlas Mountains, the reduction could concern the wettest part of the year (ONDJFM). The changes in rainfall characteristics may also occur through a decrease in the number of wet days and the number of heavy precipitation events and by more persistent droughts. Furthermore, an increase of mean temperature is projected at annual and seasonal scales. The outputs of ten RCMs of the FP6-ENSEMBLES (ENSEMBLES) project are used to assess the uncertainties associated to future climate change. The changes issued from ARPEGE-Climat are in the range covered by the ten RCMs. Most of the models agreed on a reduction of winter precipitation associated with a decrease in the number of heavy precipitation events and an increase in the number of maximum consecutive dry days. The evaluation of a statistical downscaling approach that uses large scale fields such as North Atlantic weather regimes to construct local scenarios of future climate change shows the deficiency of this approach in the case of Moroccan winter precipitation. This result is obtained by both ARPEGE-Climat and the ENSEMBLES RCMs. The quantile-quantile correction method extended to weather regimes and applied to the outputs of ARPEGE-Climat confirms the sign of the changes despite a slight reduction of their amplitudes. The assessment of potential impacts on hydrology done using the hydrological model GR2M and the climate scenarios issued from ARPEGE-Climat shows a future reduction of the Moulouya watershed discharges. This is due to the combination of a rainfall decrease and an enhanced potential evapotranspiration induced by increasing temperature. Finally, a dynamical downscaling achieved using the limited area model ALADINClimat with very high resolution (12km) on the northern half of the country allows a further assessment of future climate changes and related uncertainties. The projections issued from ARPEGE-Climat are generally confirmed both in terms of average and of extremes

Quatre événements El Niño extrêmes ont eu lieu durant les cinq dernières décennies (1972/1973, 1982/1983, 1997/1998 et 2015/2016) et étaient caractérises comme forts dans la région Niño 3.4. Ils présentent des différences significatives dans leur évolution qui induisent des anomalies distinctes de précipitations le long du versant Pacifique Péruvien illustrant la non-linéarité de la téléconnexion ENSO sur les précipitations dans cette région. Les pluies extrêmes ont un impact néfaste sur la population et les secteurs productifs en raison des inondations et des glissements de terrain qui s'ensuivent. Néanmoins, à ce jour, les patrons de circulation climatique clé de leurs évolutions et magnitudes différentes sont encore très peu connus. Dans cette thèse, nous montrons que les différentes configurations de précipitations lors de ces événements sont associées au transport de l'humidité provenant de différentes sources d'humidité à grande échelle. Lors des événements 1983-1998 (2016), ils sont respectivement liés à une forte (faible à modérée) humidité provenant du réchauffement du Pacifique (également mais aussi provenant de L'Atlantique via l'Amazonie). La caractéristique de ces transports d'humidité est due à une réponse atmosphérique opposée entre les événements de 1983-1998 (qui sont similaires) et l'événement de 2016 qui présente des patterns de transport d'humidité déphasés. Ces précipitations sont liées à l'humidité provenant de ces sources et la circulation atmosphérique régionale des vents de niveau supérieur (100 à 300 hPa) influe sur la quantité d'humidité qui pénètre dans la région Nord-Centre du versant Pacifique Péruvien. L'interaction de la circulation à grande échelle et régionale et le transport de l'humidité du Pacifique est expliqué par le mode Ep qui est associé à des précipitations dans la région Centre-Nord. La forte dispersion des précipitations dans les régions montagneuses est expliquée par le mode Cp pendant les phénomènes El Niño modérés (extrêmes) et est liée au transport d'humidité de niveau moyen-bas (haut) de l'Amazonie (Pacifique) atteignant les hautes terres. / Four strong El Niño events took place within the last five decades (1972/1973, 1982/1983, 1997/1998 and 2015/2016) recorded as strong in the Niño 3.4 region. They can exhibit significant differences in their evolution associated with a distinct rainfall anomaly evolution along the PPB (Peruvian Pacific Basin), which illustrates the strong nonlinearity of the ENSO teleconnection on the rainfall in this area. These extreme rainfalls have harmful impacts on the population and productive sectors due to floods and landslides which are trigged by them. Yet the key climatic circulation pattern for their different evolution and magnitude are still unknown. Here we show that different rainfall patterns during these events are associated with moisture transport originated from different large-scale moisture sources. For example, in the 1983 -1998 (2016) events appear as related with strong (weak to moderate) moisture coming from the Pacific warming (also coming from Atlantic Ocean through the Amazon basin). Characteristic of these moisture transports is due to an atmospheric response opposite between the 1983-1998 events (that are similar) and 2016 event experiencing out-of-phase moisture transport patterns. Although these rainfalls are linked to the moisture arrival from those sources, the moisture amount entering the PPB can be also influenced by regional atmospheric circulation of upper level winds (100 to 300 hPa) leading to different enhanced moisture transport associated with different rainfall anomalies in the North-Centre PPB. The interplay of large-scale and regional circulation and Pacific moisture transport explains the Ep mode associated with rainfall in the north-Centre PPB. The high dispersion of rainfall in highlands (Cp mode) during the moderate (extremes) El Niño appears as linked to low-middle (high level) moisture transport from the Amazon (Pacific) reaching highlands.

Cette thèse porte sur l'étude numérique des fluctuations extrêmes de la force de traînée exercée par un écoulement turbulent sur un corps immergé.Ce type d'évènement, très rare, est difficile à caractériser par le biais d'un échantillonnage direct, puisqu'il est alors nécessaire de simuler l'écoulement sur des durées extrêmement longues. Cette thèse propose une approche différente, basée sur l'application d'algorithmes d'échantillonnage d'événements rares. L'objectif de ces algorithmes, issus de la physique statistique, est de modifier la statistique d'échantillonnage des trajectoires d'un système dynamique, de manière à favoriser l'occurrence d'événements rares. Si ces techniques ont été appliquées avec succès dans le cas de dynamiques relativement simples, l'intérêt de ces algorithmes n'est à ce jour pas clair pour des dynamiques déterministes extrêmement complexes, comme c'est le cas pour les écoulement turbulents.Cette thèse présente tout d'abord une étude de la dynamique et de la statistique associée aux fluctuations extrêmes de la force de traînée sur un obstacle carré fixe immergé dans un écoulement turbulent à deux dimensions. Ce cadre simplifié permet de simuler la dynamique sur des durées très longues, permettant d'échantillonner un grand nombre de fluctuations dont l'amplitude est assez élevée pour être qualifiée d'extrême.Dans un second temps, l'application de deux algorithmes d’échantillonnage est présentée et discutée.Dans un premier cas, il est illustré qu'une réduction significative du temps de calcul d'extrêmes peut être obtenue. En outre, des difficultés liées à la dynamique de l'écoulement sont mises en lumière, ouvrant la voie au développement de nouveaux algorithmes spécifiques aux écoulements turbulents. / This thesis discusses the numerical simulation of extreme fluctuations of the drag force acting on an object immersed in a turbulent medium.Because such fluctuations are rare events, they are particularly difficult to investigate by means of direct sampling. Indeed, such approach requires to simulate the dynamics over extremely long durations.In this work an alternative route is introduced, based on rare events algorithms.The underlying idea of such algorithms is to modify the sampling statistics so as to favour rare trajectories of the dynamical system of interest.These techniques recently led to impressive results for relatively simple dynamics. However, it is not clear yet if such algorithms are useful for complex deterministic dynamics, such as turbulent flows.This thesis focuses on the study of both the dynamics and statistics of extreme fluctuations of the drag experienced by a square cylinder mounted in a two-dimensional channel flow.This simple framework allows for very long simulations of the dynamics, thus leading to the sampling of a large number of events with an amplitude large enough so as they can be considered extreme.Subsequently, the application of two different rare events algorithms is presented and discussed.In the first case, a drastic reduction of the computational cost required to sample configurations resulting in extreme fluctuations is achieved.Furthermore, several difficulties related to the flow dynamics are highlighted, paving the way to novel approaches specifically designed to turbulent flows.