Cette thèse apporte une meilleure compréhension des interactions océan-atmosphère au sein d'évènements extrêmes que sont les cyclones tropicaux. L'étude de la réponse océanique aux cyclones et de sa rétroaction a permis de souligner l'importance de la dynamique océanique et atmosphérique et tend à contredire les estimations extrêmes faites précédemment à partir de modèles théoriques simplifiés. L'impact des cyclones sur le climat est probablement surestimé dans les études qui négligent les processus d'advection et la ré-émergence d'anomalies océaniques en surface durant l'hiver. La rétroaction négative du refroidissement de surface induit par les cyclones est également surestimée dans les études théoriques en raison des fortes hypothèses faites sur les échelles de temps impliquées dans le processus d'intensification des cyclones. De même, la structure océanique à grande et moyenne échelle est souvent négligée (par exemple dans les indices de cyclogenèse), alors qu'elle module fortement les mécanismes de couplage. Enfin, l'utilisation de modèles à méso-échelle et de simulations à long terme produisant un grand nombre d'événements est essentielle afin de séparer un mécanisme robuste d'effets anecdotiques.

Les régions côtières du bassin méditerranéen sont soumises en automne à des évènements de pluie intense. La mer Méditerranée constitue la principale source d'humidité et de chaleur pour ces évènements météorologiques extrêmes. Généralement, la masse d'air instable est transportée par un fort vent de basses couches de la mer vers les reliefs où la convection se déclenche pouvant stationner plusieurs heures au dessus de la même région, produisant de très forts cumuls de pluie localement et conduisant parfois à des crues destructrices. <br /><br />La sensibilité des ces épisodes extrêmes à la SST a tout d'abord été évaluée à l'aide de simulations atmosphériques à haute résolution avec le modèle MESO-NH, sur trois cas d'évènements fortement précipitants dans le Sud-Est de la France: les cas de l'Aude (12-13 novembre 1999), du Gard (8-9 septembre 2002) et de l'Hérault (3 décembre 2003). Différents champs de SST ont été utilisés (analyses obtenues par interpolation optimale des observations in-situ, SST satellite, augmentation ou diminution empirique de la SST). L'importance significative de la valeur moyenne de SST intégrée sous le jet de basses couches sur la convection en terme d'intensité et de localisation a ainsi été mise en évidence. <br /><br />Le rôle de la paramétrisation des flux de surface a été examiné dans une deuxième partie en introduisant dans le schéma de surface SURFEX deux nouvelles paramétrisations ``bulk'' itératives : la paramétrisation ECUME basée sur une calibration multi-campagne des coefficients d'échanges et la paramétrisation COARE 3.0. Sur les trois mêmes épisodes, les simulations utilisant ces deux nouvelles paramétrisations ``bulk'' itératives simulent des valeurs de stress et d'évaporation plus faibles que celles obtenues en utilisant la paramétrisation originale de MESO-NH (Louis, 1979). <br /><br />Dans une troisième partie, une modélisation couplée océan-atmosphère a été mise en place entre le modèle MESO-NH et un modèle océanique 1D en équation d'énergie cinétique turbulente, afin d'évaluer sur les trois mêmes cas d'étude, l'impact des fortes précipitations et du fort stress associé sur la couche de mélange océanique et les rétroactions sur la convection atmosphérique. Les résultats montrent la robustesse du modèle océanique sous le forçage atmosphérique extrême imposé même en région côtière. La réponse océanique à courte échéance montre un fort approfondissement de la couche de mélange océanique sous le jet de basses couches et la formation locale de couches de mélange internes associées aux précipitations intenses. Ce type de réponse est particulièrement important pour la dynamique de l'océan superficiel ainsi que pour la couche limite atmosphérique.

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.

La mousson africaine est un phénomène complexe issu du couplage entre le continent, l'océan et l'atmosphère. De nombreuses études ont montré un lien entre le refroidissement saisonnier de l'océan dans le golfe de Guinée (upwelling équatorial) et la mousson. Cette thèse vise à explorer les mécanismes d'interactions océan-atmosphère agissant sur les précipitations côtières de la mousson africaine au printemps boreal. Ce travail s'appuie à la fois sur des mesures in situ et satellites, et sur des données de réanalyses. La saison de mousson de 2006 a été analysée grâce au grand nombre de données rassemblées cette année-là par le programme AMMA (Analyse Multidisciplinaire de la Mousson Africaine). Cette étude a permis de décrire la couche limite atmosphérique marine dans l'Est de l'Atlantique équatorial. Il en résulte que le front de température de surface de l'océan (SST) établi au nord de l'upwelling équatorial est une zone clé des interactions océan-atmosphère dans cette région. Ainsi, il a été observé qu'un refroidissement de quelques jours de la SST au sud de l'équateur est engendré par un coup de vent des alizés de sud-est et a pour effet d'intensifier le front de SST. Le vent de surface a alors tendance à ralentir au-dessus des SST froides et accélérer au-dessus des SST chaudes. L'effet des coups de vent dans le golfe de Guinée sur les précipitations côtières a ensuite été étudié à partir de mesures satellites et de réanalyses sur la période 2000-2009. Il apparaît qu'une succession de coup de vent entraîne une succession de refroidissement dans la zone d'upwelling équatorial. Ces refroidissements intensifient le front de SST qui agit sur le vent de surface et la circulation atmosphérique avec pour effet de favoriser la convection à la côte. Ces résultats confirment donc le rôle essentiel du front de SST et confortent l'hypothèse de son influence sur les précipitations côtières. Enfin, ces événements intrasaisonniers semblent influencer l'évolution saisonnière des précipitations durant la période qui précède le déclenchement de la mousson africaine.

Chaque automne, des événements de précipitations intenses (HPEs) ont lieu en Méditerranée nord-occidentale. Cette thèse adopte une approche par la modélisation climatique régionale couplée atmosphère-océan pour traiter de la sensibilité de ces événements à des changements de température de surface de la mer (SST) résultant soit de biais dans le modèle couplé, soit de la réponse de la couche de mélange océanique à des forçages atmosphériques. Deux cas d’études mettent en évidence la sensibilité particulière des zones de convergence d’humidité aux changements de SST. L’élaboration d’indices synthétiques de changements dans les précipitations et de changements de SST en amont des zones précipitantes met en lumière dans plusieurs régions (Cévennes, région de Valence, Calabre) une relation linéaire entre ces deux quantités dans deux plateformes de modélisation différentes : MORCE et CNRM-RCSM4. Dans la région de Valence, en Espagne, nous montrons en outre que les événements de précipitations intenses sont souvent précédés d’un épisode de Mistral qui refroidit la zone amont des précipitations dans les jours précédant celles-ci, refroidissement qui tend ensuite à réduire l’intensité de l’événement précipitant. / Every year in autumn, heavy precipitation events (HPEs) occur in the northwestern Mediterrranean. This thesis uses coupled atmosphere-ocean regional climate modeling to tackle the sensitivity of these events to sea surface temperature (SST) changes coming either from model biases or from the oceanic mixed layer response to atmospheric forcing. Two case studies show the particular sensitivity of moisture convergence zones to SST changes. The use of synthetic indexes of precipitation changes and SST changes in the upstream zones shows a linear relationship between the two indexes in several regions (Cévennes, the region of Valencia, Calabria) in the modeling platforms MORCE and CNRM-RCSM4. Furthermore, we show that the HPEs in the region of Valencia are often preceded by a Mistral event which cools the upstream zone whithin 5 days before the HPEs. In turn, this cooling tends to reduce the intensity of the HPE.

Cette thèse s'intéresse à la dynamique océanique induite par les échelles spatiales et temporelles de l'atmosphère, et du vent en particulier, dans les régions d'upwelling du Benguela et des Canaries. Ces régions sont sous l'influence d'un vent local ou régional, soufflant parallèlement à la côte. "Moteur" principal de la résurgence d'eau froide, ce vent est modulé par des processus physiques à des échelles spatio-temporelles variées. La nature des interactions avec l'atmosphère, l'océan et le continent environnants diffère selon les processus. Depuis deux décennies, des efforts remarquables portent sur la description par télédétection des champs atmosphériques à la surface de l’océan. Un nombre croissant de missions spatiales et des améliorations techniques majeures ont permis de raffiner la résolution horizontale et temporelle des produits disponibles à l'échelle globale. La disponibilité de multiples mesures diffusiométriques grillées, traitées et distribuées par le LOSCERSAT,nous amène dans un premier temps à comparer et analyser la richesse et la finesse des échelles retranscrites par différents produits. Ainsi, plusieurs gammes d'échelles de vent sont différenciées et leurs signatures sur l'upwelling côtier sont étudiées. L'intensité des anticyclones subtropicaux (Sainte Hélène et Açores) module la saisonnalité de l'upwelling le long des côtes Ouest africaines. Les régions centrales des upwellings de l’Atlantique, sous l'influence permanente de ces centres de haute pression, sont ainsi les cellules d'upwelling les plus intenses de chacun des systèmes en termes de pérennité et d'intensité (cellule de Lüderitz et cellule de Dakhla respectivement dans l'hémisphère Sud et l'hémisphère Nord). À l'échelle régionale, ou l'échelle des sous-bassins (O(1000 km)), la variabilité intrasaisonnière du vent est contrôlée par le renforcement ou l'atténuation des anticyclones entraînant à la côte l'activation ou la relaxation d'événements d'upwelling. À des échelles plus petites (O(100 km)), le front caractéristique de température de surface (SST) entre la côte et le large façonne la structure spatiale du vent par des processus de stabilisation/déstabilisation de la colonne d'air. Un vent soufflant en direction de l'équateur et parallèlement à un front de SST aura tendance à diminuer (augmenter) sur le flanc froid (chaud) de ce front. Le rotationnel (la divergence) du vent est directement impacté(e) et répond linéairement, au premier ordre, à la composante du gradient de SST normale (tangentielle) à la direction du vent. Ces rétroactions océaniques sont caractérisées par une échelle temporelle allant de l'hebdomadaire au mensuel. Enfin, de fines échelles du vent sont couramment observées dans les premiers kilomètres de l’océan au voisinage de la côte. L’interface entre le large et le continent est en effet associée à un affaiblissement significatif des vents. L'extension zonale de cette transition (O(10 km)) dépend notamment de l'orographie et de la rugosité de surface du continent adjacent. L'impact d'une telle réduction du vent sur la structure des upwellings côtiers, la dynamique sous-jacente et le transport côte-large de particules est appréhendé à l'aide d'analyses numériques eulériennes et lagrangiennes. / This study focuses on the oceanic response to fine atmospheric spatial and temporal scales, and especially fine wind patterns in the Benguela and Canary upwelling systems. These regions are under the influence of local or regional wind, blowing parallel to the coast. Thewind is the main driver of the cold-water upwelling and is modulated by several physical processes at various scales. The nature of the interactions with the atmosphere, the ocean and the adjacent continent differs according to these processes. For the past 20 years, outstanding efforts have been made in the description and understanding of the atmospheric conditions at the sea surface. An increasing number of space missions and major technical improvements have allowed refinement of the horizontaland temporal resolution of the products available at global scale. The availability of multiple gridded scatterometer measurements,processed and distributed by the LOS-CERSAT, brings us first to compare and analyze the richness and fineness of the scales of a few products. We differentiate several wind scales and study their signatures on coastal upwelling dynamics. The intensity of the subtropical anticyclones (Saint Helena andAzores) modulates the seasonality of the upwelling along the Africanwest coast. The central regions of both upwelling systems are permanently under the influence of these atmospheric highs and,thus, are the most intense upwelling cells of each system, both interms of durability and intensity (Lüderitz and Dakhla cells for the southern and the northern hemisphere, respectively). On a regional scale, or basin scale (O(1000 km)), the intraseasonal wind variability is driven by the strengthening or weakening of these anticyclones, causing the activation or relaxation of upwelling events at the coast.At smaller scales (O(100 km)), the characteristic sea surface temperature (SST) front between the coastal and open ocean shapes the spatial structure of the wind by stabilization/destabilization of the air column. An equatorward-blowing wind parallel to an SST front tends to decrease (increase) on the cold side (warm) of this front. The curl (divergence) of the wind is directly impacted and the first order response varies linearly with the crosswind (downwind) SST gradient. This oceanic feedback is characterized by weekly to monthly temporal scales. Finally, small-scale wind structures are frequently observed in the first kilometers of the coastal ocean. Indeed, the interface between the open ocean and the continent is associated with a significant wind drop-off. The zonal extension of this transition (O(10 km) depends on the orography and on the surface roughness of the adjacent continent. The impact of such a wind reduction on the structure of the coastal upwelling, the underlying ocean dynamics and the cross-shore transport of particles is diagnosed with both Eulerian and Lagrangian numerical analyses.