Nous étudions les flux turbulents de chaleur sensible et de chaleur latente, qui sont mal compris et mal mesurés sur les glaciers, à l'aide de campagnes de terrain déployées dans la zone d'ablation du glacier tropical du Zongo (16°S, Bolivie, 4900-6000 m) durant la saison sèche de l'hiver austral et sur le glacier alpin de Saint-Sorlin (Alpes Françaises, 45°N, 2600-3400 m) durant l'été boréal. Un mât de 6 m permettait la mesure des profils verticaux de vitesse de vent et de température de l'air et des mâts de 2 m comportaient des systèmes de covariances turbulentes (CT). Nous étudions l'évolution temporelle des flux turbulents et l'applicabilité de la méthode aérodynamique des profils en terrain complexe de montagne. Les hypothèses sont discutées via la caractérisation des régimes de vent et de la turbulence. Nous calculons ensuite les flux et les erreurs associées. Sur le Zongo, sous forçage synoptique faible, un écoulement catabatique s'installe de la fin d'après-midi jusqu'au matin, avec un maximum de vitesse de vent à environ 2 m de hauteur. Les forçages synoptiques forts s'alignent approximativement avec le glacier, provoquant un intense écoulement descendant, et dans ce cas nous n'observons pas de maximum de vitesse de vent. Souvent, autour de midi, des vents ascendants sont observés. Sur le glacier de Saint-Sorlin les forçages associés à des épisodes de Foehn ou à des dépressions se déplaçant depuis l'ouest, s'alignent approximativement avec le glacier, générant des vents forts descendants. Quand le forçage synoptique est modéré, un maximum de vitesse de vent est observé nuit et jour 50% du temps. Des vents ascendants sont observés 15% du temps, quand le forçage synoptique est faible. La couche de surface est perturbée par des tourbillons de couches externes sous vent fort, ou de lentes oscillations en écoulement catabatique. Ces perturbations influencent les flux turbulents. Les erreurs aléatoires sur la méthode des profils sont dues principalement à des incertitudes sur la température. L'erreur reste faible sur les flux moyens. La couche de surface est rarement plus épaisse que 2 m et la méthode des profils appliquée à l'aide des mesures plus obtenus plus haut sous-estime les flux de surface de 20% à 70% . Quand un maximum de vitesse de vent est observé, les flux sont sous-estimés même à 2 m. L'influence des perturbations de la couche de surface n'est pas capturée par la méthode des profils, et les flux sont environ 40% inférieurs à ceux mesurés par CT. Ces derniers sont affectés par d'importantes erreurs aléatoires, en raison d'un échantillonnage statistique insuffisant des grands tourbillons. La méthode sous-estime probablement les flux à cause d'une sous-estimation de la vitesse verticale (~15%) et de la divergence verticale des flux. Sur le glacier du Zongo, l'air de haute altitude est très sec et la sublimation (quelques mm d'eau par jour) est un important puits d'énergie à la surface. Le flux de chaleur sensible est un important gain d'énergie la nuit sous l'influence de vents forts (de 30 à 50 W m-2), car l'inversion de température est marquée. Quand un maximum de vitesse de vent est observé, les flux sont faibles (de 5 à 20 W m-2) car la vitesse du vent est faible. La somme des flux turbulents est faible dans ces deux cas car ils sont opposés et les biais se compensent. En vent ascendant, le flux de chaleur sensible est faible (<5 W m-2) car la stratification est neutre, mais le flux de chaleur latente reste important (de -25 à -35 W m-2), le flux net est donc important et les biais ne se compensent plus. Sur le glacier de Saint-Sorlin, le flux de chaleur latente est faible car l'air est humide, et le flux de chaleur sensible peut être intense (~25 W m-2) quand la vitesse du vent est élevée. Le flux net est fort par vent fort et les biais sur les flux calculés par la méthode des profils peuvent être élevés. / We study turbulent fluxes of sensible and latent heat, that are a poorly-known and difficult term to measure over glaciers, with the help of two field campaigns deployed over the ablation zone of Zongo glacier (16°S, Bolivia, 4900-6000 m.a.s.l.) during the austral winter dry season and over the Saint-Sorlin glacier (French Alps, 45°N, 2600-3400 m.a.s.l.) during the boreal summer. A 6-m mast allowing for wind speed and air temperature vertical profile measurements was installed, along with 2-m masts holding eddy-covariance systems. The focus is on the temporal evolution of turbulent fluxes and the applicability of the aerodynamic profile method in the complex terrain of high mountains. The assumptions of the method are discussed by characterizing the wind regimes and the turbulence. We then compute fluxes and associated errors. Above Zongo glacier, under weak synoptic forcing, katabatic flows are observed from late afternoon to early morning, with a wind-speed maximum at around 2 m. Strong synoptic forcing roughly aligns with the glacier, leading to strong downslope flows for which no wind-speed maximum is observed. Most of the days around noon, upslope flows are observed. On Saint-Sorlin glacier in summer, flows associated with low-pressure systems coming from the west or Foehn events roughly align with the glacier, leading to strong downslope winds. Wind-speed maxima are observed night and day, ~50% of the time, when synoptic forcing is moderate. Upslope flows are observed 15% of the time, when synoptic forcing is weak. The surface layer is disturbed by outer-layer eddies in strong flows and by slow oscillations if katabatic flow prevails. These disturbances influence turbulent fluxes. Random errors on the fluxes derived from the profile method are mainly due to temperature uncertainties. Errors remain small on the mean fluxes. The surface layer is rarely deeper than 2 m on both glaciers and the profile method with measurements made above that height underestimates the surface fluxes by 20% to 70%. When a wind-speed maximum is observed, fluxes are underestimated even at 2 m. The influence on the fluxes of the surface-layer disturbances is not captured by the profile method, and fluxes are about 40% smaller than the eddy-covariance fluxes. The latter are affected by large random errors due to inadequate statistical sampling of large-scale eddies and are probably underestimated, mainly due to vertical wind speed underestimation (~15%) and to vertical flux divergence. Above Zongo glacier, due to the dry high-elevation air, sublimation (a few millimeters w. e. per day) is a large energy loss for the surface. Sensible heat flux is a large energy gain in strong nocturnal downslope flows (from 30 to 50 W m-2) and strong winds, due to a marked temperature inversion. When a wind-speed maximum is observed, low wind speeds cause small turbulent fluxes (from 5 to 20 W m-2). The sum of turbulent fluxes is small in those two cases because the fluxes are opposed in sign and the biases mostly compensate. In upslope flows, the sensible heat flux is small (<5 W m-2) due to near-neutral stratification, but latent heat losses remain large (around -25 to -35 W m-2), so that the net turbulent flux is large and the biases do not compensate. Above Saint-Sorlin glacier, the latent heat flux remains small because the air is generally humid, whereas the sensible heat flux can be large (~25 W m-2) when wind speed is high. The net flux is large when wind speed is high, and the biases on net turbulent fluxes derived from the profiles can be significant.

Les échanges de chaleur et de quantité de mouvement à l'interface-océan atmosphère jouent un rôle majeur dans la formation et la dynamique des masses d'air et d'eau. Malgré des décennies de recherche, nous avons encore besoin d'améliorer nos connaissances sur ces échanges, et plus spécifiquement nos connaissances sur les flux turbulents, qui sont des variables clés dans les modèles météorologiques et de climat. Dans ces modèles, les processus turbulents sont des processus sous-maille, non-résolus explicitement, ainsi les flux turbulents doivent être modélisés, au travers de paramétrisations, qui sont pour la plupart réalisées à partir de la théorie des similitudes de Monin-Obukhov [1954]. Cependant, d'une part, l'utilisation d'un modèle implique que les coefficients doivent être ajustés. D'autre part, le modèle lui-même peut demander des améliorations. Malheureusement, l'obtention d'estimations de flux avec une bonne précision est un gros défi, à cause des effets intrusifs de la plate-forme sur la mesure, de la précision limité des instruments et des capacités d'échantillonnages propres de chaque instrument.Notre étude porte sur l'estimation des flux turbulents en mer à partir de mesures réalisées avec la nouvelle plate-forme OCARINA (trimaran autonome) lors des campagnes STRASSE 2012 et AMOP 2014. Nous analysons les caractéristiques de la turbulence dans la couche limite de surface, nous estimons les flux turbulents par différentes méthodes, et nous comparons les valeurs des flux en fonction des conditions environnementales, en prenant en compte l'état de mer. / Exchanges of heat and momentum at the air-sea interface play a major role in the formation and the dynamics of water and air masses. In spite of decades of research, we still need to improve our knowledge of these exchanges, and more specifically our knowledge of turbulent fluxes, which are key variables in meteorological and climate models. In these models, sub-grid turbulent processes, thus turbulent fluxes also have to be modeled, which is mostly done with the Monin-Obukhov (1954, MOS hereafter) similarity theory. However, on the one hand, the use of a model implies that coefficients have to be adjusted. On the other hand, the model itself may require improvements. Unfortunately, obtaining flux estimates that have a good accuracy is a challenging effort, because of the intrusive effect of the platform, the limited accuracy the instruments, and because the instruments have their own sampling volume.Our study focuses on the estimation of turbulent fluxes at sea from measurements made with the new OCARINA platform (autonomous trimaran) during two campaigns : STRASSE 2012 and AMOP 2014. We analyze the characteristics of turbulence in the surface boundary layer, we estimate the turbulent fluxes by different methods, and compare the values of fluxes depending on environmental conditions, taking into account the sea state.

Ce travail de thèse porte sur l'amélioration du forçage atmosphérique utilisé pour réaliser des simulations numériques inter-annuelles globales de l'état physique de l'océan durant les 5 dernières décennies. Après une étude détaillant et comparant le comportement<br />de diverses paramétrisations utilisées pour estimer les flux de surface servant de conditions limites, le modèle de circulation générale de l'océan et des glaces de mer NEMO est utilisé sur sa configuration à 2° de résolution pour valider des jeux de données atmosphériques spécialement destinés au forçage des modèles haute résolution du projet DRAKKAR. Ces jeux de données combinent, sur une période allant de 1958 à 2004, des champs atmosphériques de surface corrigés issus de ERA-40, une recalibration des radiations satellitaires de L'ISCCP ainsi que des précipitations incorporant différents produits globaux. Divers diagnostics confirment que ces nouveaux forçages mènent à une meilleure simulation de certaines caractéristiques clefs de la circulation océanique globale.

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 travail présenté porte sur l'étude des échanges d'énergie et de matière, au travers du bilan thermique net à la surface océanique, dans une région de l'océan Atlantique nord. Le flux ondes courtes, terme prépondérant de ce bilan, est déterminé grâce à la méthode Heliosat adaptée aux données de basse résolution spatiale du satellite METEOSAT-4. A méso-échelle, sur une base horaire, nous mettons en relief la grande variabilité du flux solaire à la surface. Les résultats de comparaison avec des mesures in situ sur notre zone d'étude sont satisfaisants. Nous estimons les performances de huit formulations semi-empiriques usuelles sur la restitution du flux ondes longues net en utilisant des moyennes mensuelles climatologiques ou des mesures in situ des paramètres surfaciques. Nous testons ensuite une méthode développée pour l'utilisation de données satellitaires. Mais la validation de ce modèle sur notre zone d'étude s'avère plus mauvaise que l'utilisation de simples relations semi-empiriques. Nous évaluons qualitativement et quantitativement l'impact de l'ennuagement sur les flux radiatifs en réalisant une classification des types de ciels selon la nébulosité totale. Nous réalisons ensuite des moyennes climatologiques des flux de surface étudiés afin d'en déduire le bilan thermique net sur notre zone d'étude et nous analysons ses variations zonales pour les mois de septembre et d'octobre. Dans une dernière partie, nous nous focalisons sur l'observation in situ de trois situations météorologiques particulières afin d'estimer l'impact de la variabilité spatio-temporelle pour la restitution de ce bilan. Des variations significatives des flux estimés sont mises en évidence en fonction d'échelles de temps variable ainsi qu'en fonction des méthodes de sous-échantillonnage spatial utilisées pour la construction des images satellitaires.

Sur un site multi-influencé par des émissions urbaines et industrielles, l'analyse de la pollution aux aérosols, au voisinage des sources, requiert une connaissance multi-échelles de la dynamique atmosphérique. une campagne de mesure a été développée afin d'étudier la variabilité météorologique et micro-météorologique et l'évolution des particules, en particulier, submicroniques, sur une durée d'une année. Des oscillations de la concentration en aérosols, autour de la moyenne régionale, ont été identifiées le long du littoral dunkerquois, et attribuées aux phénomènes météorologiques locaux à proximité des industries. Des méthodes de reconnaissance et d'apprentissage supervisé, faisant appel aux mesures par anémomètre ultrasonique et aux profils verticaux du vent par lidar Doppler, ont été mises en œuvre pour établir la variabilité de phénomènes pertinents dans les événements de pollution de l'air : brise de mer, brouillard, front et tempête. L'analyse d'une base de données de six ans a permis de montrer que l’occurrence annuelle des brises de mer est corrélée à celle du nombre de journées anticycloniques. Par ailleurs, la fréquence annuelle des brouillards pourrait être liée à la concentration annuelle régionale en aérosols. L'analyse des covariances du vent a révélé deux situations contrastées, à faible et à fort flux turbulents. Le brouillard et la brise de mer, de faible flux, génèrent une pollution élevée aux PM₁, et sont le siège d'une forte concentration en aérosols organiques oxygénés (aérosols secondaires). Les situations à fort flux, favorisant les échanges verticaux, sont associées à une forte variabilité des sulfates particulaires. L'observation de longue durée a permis de mettre en évidence la construction d'épisodes de pollution particulaire, au cours de séquences de phénomènes météorologiques locaux, du fait des sources locales, mais aussi par incorporation de la pollution à plus grande échelle. / On a site that is multi-influenced by urban and industrial emissions, the analysis of aerosol pollution, in the vicinity of sources, requires a multi-scale knowledge of atmospheric dynamics. A measurement campaign was developed in order to study the meteorological and micro-meteorological variability and the evolution of particles, in particular, submicronic evolution, during a one-year period.Oscillations of the aerosol concentration around the regional average were identified along the Dunkirk coastline, and were attributed to the local meteorological phenomena close to the industries. Recognition and machine learning methods using measurements by an ultrasonic anemometer and vertical wind profiles by a Doppler lidar, were implemented to define the variability of relevant phenomena in air pollution events : sea breeze, fog, front and storm. A six-years database analysis has highlighted a correlation between the annual sea breeze occurrence and the annual number of anticyclonic days. Furthermore, the annual fog frequency could be connected with the annual regional concentration of aerosols. Analysis of wind covariance revealed two contrasting situations, low-level and high-level turbulent fluxes. The fog and the sea breeze, with low-level fluxes, generate a high PM₁ pollution and are in favor of a high organic oxygenated aerosols concentration (secondary aerosols). High-level fluxes situations, favoring vertical exchanges, are associated with a large variability of sulfate aerosols. The long-term observation, made it possible to highlight the development of episodes of particulate pollution during local weather phenomena, owing to the local emissions, but also by taking into account the larger-scale pollution.

Les flux turbulents à l’interface air-mer représentent le lien entre l’océan et l’atmosphère et jouent donc un rôle majeur dans le système climatique. Dans les modèles de climat, les processus turbulents sont des processus sous-maille, non résolus explicitement, et doivent donc être paramétrés. Ils sont estimés à partir des variables d’états atmosphériques et océaniques au moyen de modèles mathématiques qu’on nomme « paramétrisations bulk ». Ce travail de thèse a pour objectif de caractériser et comprendre les liens entre la représentation des flux turbulents à l’interface air-mer et le fonctionnement d’un modèle de climat à différentes échelles de temps dans les régions tropicales. Pour étudier ces liens, j’ai développé une stratégie de modélisation utilisant un modèle 1D atmosphérique (SCM), un modèle de circulation générale océanique (OGCM) où atmosphérique (AGCM) et un modèle couplé (GCM). L’analyse des simulations SCM permet d’étudier la réponse directe d’un modèle à la modification de la paramétrisation des flux turbulents. On montre que cette dernière régule la quantité d’eau, d’énergie et de quantité de mouvement disponible pour le système et donc son fonctionnement. Elle représente plus de 60% des différences de flux de chaleur latente simulées entre deux modèles de climat dans les périodes convectives. L’impact spatial de la paramétrisation des flux turbulents est étudié au travers des simulations AGCM. Elles mettent en évidence le lien entre la paramétrisation, son effet sur les gradients d’humidité et de température à grande échelle, et donc son influence sur la circulation atmosphérique. L’étude des simulations OGCM souligne quant à elle le rôle principal du vent pour le fonctionnement des océans tropicaux. Si le vent pilote les variations de SST dues à son impact sur la dynamique océanique et principalement sur le sous-courant équatorial, l’humidité, la température et les flux radiatifs n’influencent quant à eux que la surface océanique et sont donc d’une moindre importance. Enfin, l’analyse des simulations GCM met en évidence les rétroactions et l’ajustement engendrés par la modification des flux turbulents. Lors du couplage des deux composantes l’océan agi comme un tampon et absorbe la modification des flux turbulents ce qui entraine une modification de la SST. L’ajustement qui se produit entraine une modification des variables atmosphériques qui amène à un nouvel état d’équilibre du système. La paramétrisation des flux turbulents de surface agit au premier ordre sur l'équilibre énergétique d'un modèle couplé et peut donc amener à des climats simulés différents. Cette étude étant centrée sur les tropiques, une perspective intéressante serait d’étendre l’étude de la représentation des flux turbulents à d’autres échelles spatio-temporelles (i.e. zones extratropicales/fréquence journalière). Cela permettrait de valider le fonctionnement systématique des paramétrisations définies dans cette thèse à l’échelle globale. / The turbulent fluxes at the air-sea interface represent the link between the ocean and the atmosphere and therefore play a major role in the climate system. In climate models, turbulent processes are subgrid scale processes, not explicitly resolved, and must therefore be parameterized. They are estimated from atmospheric and oceanic state variables using mathematical models called “bulk parameterizations”. This thesis aims to characterize and understand the links between the representation of turbulent fluxes at the air-sea interface and the behavior of a climate model at different time scales in tropical regions. To study these links, I developed a modeling strategy using an atmospheric 1D model (SCM), an oceanic (OGCM) or atmospheric (AGCM) general circulation model and a coupled model (GCM). The analysis of SCM simulations allows us to study the direct response of a model to modifications of the turbulent fluxes parameterization. It is shown that it regulates the amount of water, energy and momentum available to the system and therefore its behavior. It can thus represent more than 60% of simulated latent heat flux differences between two climate models in convective periods. The spatial impact of the parameterization of turbulent fluxes is studied through AGCM simulations. They highlight the link between parameterization, its effect on large-scale moisture and temperature gradients, and thus its influence on atmospheric circulation. The study of OGCM simulations underlines the main role of the wind for the behavior of the tropical oceans. If the wind drives changes in SST due to its impact on ocean dynamics and mainly on the equatorial undercurrent, humidity, temperature and radiative flux only influence the ocean surface and are therefore of lesser importance. Finally, the analysis of GCM simulations highlights the feedbacks and the adjustment generated by the modification of turbulent fluxes. When coupling the two components, the ocean acts as a buffer and absorbs the modification of the turbulent fluxes, which leads to a modification of the SST. The adjustment that occurs causes a modification of the atmospheric variables which leads to a new state of equilibrium of the system. The parameterization of surface turbulent fluxes acts at first order on the energy equilibrium of a coupled model and can therefore lead to different simulated climate state. Since this study is focused on the tropics, an interesting perspective would be to extend the study of the turbulent fluxes representation to other spatio-temporal scales (i.e. extra-tropical areas / daily frequency). This would make it possible to validate the systematic behavior of the parameterizations defined in this thesis on a global scale.