Les modèles météorologiques à aire limitée sont aujourd'hui dotés de systèmes d'analyse de données observées propres, pour la plupart. Ces analyses combinent en général une ébauche provenant du modèle et des observations dans le but de rafraîchir les structures décrites par le modèle à aire limitée. Néanmoins, l'information provenant du modèle coupleur présente également un intérêt. En effet, le modèle coupleur est en général un modèle global bénéficiant de techniques d'assimilation de données performantes, qui permet de fournir une bonne description des grandes échelles notamment. L'objectif de ce travail de thèse est d'injecter l'information issue du modèle coupleur directement dans l'assimilation variationnelle tridimensionnelle (3D-VAR) du modèle à aire limitée, en tant que nouvelle source d'information. Concrètement, on décrit le vecteur d'information entrant dans l'assimilation du modèle à aire limitée comme étant la concaténation des différentes sources d'information : l'ébauche du modèle, les observations et les grandes échelles de l'analyse du modèle coupleur. Ce formalisme utilise une mesure de l'incertitude sur les sources d'information, décrite par les covariances entre les erreurs des différentes sources d'information. Des simplifications sur les covariances croisées entres les sources d'information sont proposées, afin de pouvoir développer le formalisme en vue de le rendre applicable simplement dans un logiciel d'analyse déjà existant. Une première utilisation de ce nouveau formalisme est faite dans un modèle académique unidimensionnel “en eaux peu profondes”, en mettant en oeuvre un modèle coupleur et un modèle couplé. Ces expériences montrent des résultats neutres à positifs, suivant les configurations, limités par le cadre simplifié de ce modèle académique. Dans le cadre de l'application de cette méthode dans les modèles utilisés à Météo- France (modèle global ARPÈGE et modèle à aire limitée ALADIN), une évaluation des statistiques liées aux erreurs sur les sources d'information est menée. Tout d'abord le choix des échelles venant de l'analyse du modèle global est fait, pour ne garder que les plus grandes structures (environ 240 km). Puis les statistiques sont calculées à partir de travaux précédents utilisant des méthodes ensemblistes pour échantillonner les erreurs. L'étude de ces statistiques permet de décrire les propriétés des covariances d'erreurs (écarts types, isotropie, etc.) et de quantifier l'erreur commise en appliquant les simplifications proposées. L'évaluation sur des cycles d'assimilation d'une quinzaine de jours montre que l'introduction des grandes échelles de l'analyse du modèle global a un impact légèrement positif en terme de score objectif. Néanmoins, malgré des différences visibles et systématiques engendrées par l'utilisation de cette nouvelle source d'information, aucun cas d'étude sur des champs diagnostiques, comme les précipitations, ne permet d'illustrer cet apport en terme de temps sensible ou de phénomènes météorologiques spécifiques. Ce travail de thèse propose donc une technique d'analyse en aire limitée permettant de prendre en compte des informations provenant du modèle coupleur, en plus des observations, pour corriger l'ébauche du modèle. Il ouvre la voie à d'autres recherches, notamment en sélectionnant d'autres échelles venant du modèle coupleur à considérer ou en l'étendant par l'ajout de la dimension temporelle.

Cette étude vise à estimer l'impact des échelles dynamiques, allant de la grande à la sub-mésoéchelle, sur la structure et le fonctionnement de l'écosystème planctonique, en s'appuyant sur la modélisation. Elle se situe en Atlantique Nord-Est dans le cadre du programme POMME. Une première partie étudie le cycle saisonnier de l'écosystème à partir d'une configuration 1D. En moyenne, le modèle montre un cycle annuel marqué, avec des flux de régénération importants, contraint par l'évolution de la profondeur de couche de mélange (MLD). Le modèle reproduit les variations méridiennes du cycle saisonnier et de l'amplitude des flux liées à la variabilité spatiale de la MLD. Une seconde partie, basée sur une configuration 3D, montre un écosystème contrasté entre les tourbillons à mésoéchelle et les eaux ambiantes. A sub-mésoéchelle, de forts gradients de MLD et de vitesses verticales modifient les apports de nutriments ainsi que la disponibilité en lumière, et donc la production primaire. Les trois échelles considérées ont une influence significative sur la distribution et la production planctonique, influence qui varie au cours du cycle saisonnier.

La mer des Salomon est une mer semi-fermée située dans le Pacifique subtropical. Elle connecte les masses d'eau des subtropiques à l'équateur via les courants de bord ouest de faibles latitudes (LLWBCs) et pourrait de ce fait moduler à l'échelle décennale le climat du Pacifique tropical. Très peu d'observations sont disponibles pour l'étude de cette région. Un des objectifs principaux de cette étude est la mise en place d'un modèle réaliste d'océan à haute résolution (1/36°) de la mer des Salomon permettant la résolution d'une large gamme d'échelles, particulièrement la mésoéchelle et marginalement la sous-mésoéchelle. La circulation générale est étudiée ainsi que la variabilité à mésoéchelle et à sous-mésoéchelle. La représentation de la circulation simulée par le modèle 1/36° est non seulement validée par les observations disponibles mais aussi améliorée par rapport à celle simulée par les modèles antérieurs. La variabilité mésoéchelle simulée dans le modèle à haute résolution est fortement augmentée par rapport à celle issue des modèles antérieurs et est en bon accord avec les observations. Des études spectrales en nombre d'onde de la température de surface, de la dénivellation de la surface libre et de l'énergie cinétique ont été réalisées dans la mer des Salomon et suggèrent que les pentes spectrales obtenues sont proches de la théorie classique de la quasi-géostrophie de surface (SQG).

Pendant la dernière décennie, il y a eu un incrément de la résolution spatiale des observations satellitaires. Cela est notamment dû aux avancées technologiques implémentées sur les satellites. La quantité d'information observée est vaste, et il faut donc identifier des techniques efficaces pour la traiter et pour produire de cartes précises de la dynamique en surface. La mission future SWOT collectera de données d'élévation de surface (SSH) à très haute résolution spatiale : une partie de la dynamique à petites longueurs d'onde, c'est-à-dire, de la sousméso-échelle, sera représentée dans ces observations. Les observations satellitaires servent à réaliser la reconstruction spatiale en surface et aussi à la projeter vers l'intérieur de l'océan et vers des autres variables. La question posée est donc quelles méthodes peuvent fournir ces estimés 3D et multivariés avec une bonne précision à des échelles proches de la sousméso-échelle.Nous nous situons dans ce travail de thèse dans un cadre d'assimilation de données et d'images : l'objectif du travail étant la reconstruction de façon précise de la dynamique dans la couche de surface de l'océan (~500 m) à partir d'observations satellitaires. Pour ce faire, nous implémentons une méthode qui utilise différentes observations en surface à deux étapes d'analyse séparées. Elle consiste d'abord d'une première étape d'assimilation de données qui réalise une correction linéaire de l'écoulement. La deuxième étape se base dans une méthode d'assimilation d'images (Gaultier et al, 2012) dont l'objectif est de bien localiser les structures lagrangiennes obtenues par le calcul des exposants de Lyapunov. Dans le but de fournir des incertitudes associées aux estimés, nous disposons d'une distribution de probabilité d'ébauche qui sera corrigé par notre méthode : (i) la première étape effectue une analyse SEEK pour corriger cette distribution d'ébauche en utilisant une observation d’élévation de SSH; (ii) la deuxième étape minimise une fonction coût en utilisant l'observation d'une image structure et nous obtenons ainsi une distribution de probabilité finale. Les estimés sont projetés dans la dimension verticale en utilisant des EOFs (Empirical Orthogonal Functions) 3D multivariées, de cette sorte nous avons des estimés de variables observées et des variables non-observées (Duran-Moro et al, 2017).La méthode est testée en utilisant des données synthétiques produites par un modèle numérique à haute résolution (~3 km) dans la Mer de Salomon (SOSMOD36). La méthode fournit des résultats positifs : les estimés sont bien reconstruites sur la vertical et aussi concernant les variables non-observées. Dans ce cadre, nous réalisons une évaluation de l'impact de diverses pseudo-observations altimétriques dans la performance de la méthode. Ceci est réalisé par l'implémentation des traces Jason et Envisat sur l'observation de SSH ainsi qu'à partir du simulateur SWOT développé au JPL. Ce dernier est utilisé pour générer des pseudo-observations SWOT ainsi que des erreurs et du bruit prévus pour cette mission. La corrélation significative de ces erreurs a motivé l'application de la technique dans Ruggiero et al, 2016 dans notre analyse. Des simulations à plus haute résolution spatiale (~1 km) récemment produites à partir du modèle numérique NATL60 en Atlantique Nord sont aussi utilisées pour tester la méthode. Cette étude permet d'évaluer la dépendance des résultats avec la variabilité saisonnière de la dynamique aux moyennes latitudes. / During the last decade, high resolution observations have significantly increased mainly due to the strong innovations of satellite technology. The amount of observed information from satellites is large, and it is necessary to identify effective techniques to treat and to generate surface maps of the ocean dynamics. The future SWOT mission will collect sea surface height (SSH) measurements with a high spatial resolution : some dynamics at small wavelengths, which is known as submeso-scale, will be present in these new observations. Satellite observations could be used to carry out a vertical projection into the deeper ocean and to other variables. The question that rises is which methods can be used to carry out a 3D multivariate analysis with a significant precision, especially at meso and submeso-scale.We work here in a data/image assimilation framework : our objective if to reconstruction with good precision the dynamics in the upper oceanic layer (~500 m) using satellite observations. To do so, we implement a two-step method that uses different observations of the sea surface. The first step consist on the SEEK filter which is a data assimilation technique to carry out a first linear correction of the flow. The second step uses an image assimilation method (Gaultier et al , 2012) to correct the location of the main dynamical structure. This main dynamical structure is obtained by the computation of the Lyapunov exponents. A probability approach is applied to provide uncertainties on the estimates at each step. A first probability distribution of a background state is supposed to be known : the two-step method corrects this probability distribution at each step in order to converge towards the real ocean state. The SEEK filter corrects the background probability distribution using a SSH observation. The second step continues this correction towards smaller scales by using an image structure observation. To carry out the vertical projection, an ensemble of 3D multivariate EOFs (Empirical Orthogonal Functions) is used (Duran-Moro et al, 2017).The method is tested using synthetic data generated by a numerical model in the Solomon Sea region (SOSMOD36). The spatial resolution of these simulations is of ~3 km. We evaluate the response of our method in an idealized case study by using pseudo-observations generated from the simulations. The method provides good results and the estimates are corrected also in the vertical and in terms of other variables. A more detailed exploration of the altimetric observation is realized, especially related to future SWOT observations. Errors of SWOT observations have strong spatial correlations and another technique needs to be used in our method : this modification is carried out following work done in Ruggiero et al, 2016. Simulations from another NEMO configuration in the North Atlantic region (NATL60) are also used to evaluate the method. This second test allows us to explore the method in a different latitude of the globe.

L'océan est un milieu fortement turbulent caractérisé notamment par de nombreuses structures tourbillonnaires très énergétiques interagissant entre elles. Dans les couches de surface, les observations ainsi que les modèles montrent que cette dynamique mésoéchelle et submésoéchelle combinée à la dynamique de la couche mélangée, contraint fortement la distribution des espèces phytoplanctoniques. L'objet de cette thèse est de réaliser une étude de processus en modélisation numérique afin de rationaliser l'effet de la turbulence méso- et subméso-échelle d'une part et du mélange vertical d'autre part, sur la diversité phytoplanctonique. L'étude analytique de la dynamique intrinsèque d'un modèle d'écosystème simple avec deux espèces de phytoplancton à l'aide de la théorie des systèmes dynamiques a tout d'abord permis de déterminer les équilibres non-linéaires ainsi que leur stabilité en fonction des paramètres. Nous avons montré ensuite que la diffusion verticale turbulente est un moteur de la coexistence des espèces phytoplanctoniques. La sensibilité de ces résultats a été testée à la fois vis à vis de la profondeur de la couche mélangée, de l'intensité du mélange et du nombre d'espèces phytoplanctoniques. Enfin, nous avons montré que la turbulence quasi-géostrophique de surface permet également la coexistence de deux espèces phytoplanctoniques sur une ressource limitante à l'équilibre statistique. De plus, ce type de turbulence organise différemment les espèces selon les structures : les structures filamentaires sont favorables au grand phytoplancton alors que les tourbillons apparaissent comme des niches écologiques pour le petit phytoplancton. Cette étude révèle que dans tous les cas, les injections verticales de nutriments sont un facteur important induisant cette différence de distribution entre les espèces.

L'objet de cette thèse est la compréhension de la variabilité des propriétés biogéochimiques dans les régions d'upwelling de bord Est. A l'aide d'estimations par satellite, les variations de la concentration en chlorophylle de surface sont analysées le long de la côte nord-ouest africaine. La variabilité le long de la côte est essentiellement due à la richesse en nutriment des eaux sources. L'extension vers le large de la bande côtière riche en phytoplancton est déclenchée par la présence en excès de nutriments. Cette extension vers le large est accompagnée par une augmentation de la concentration des nutriments en surface et par une absence de lien entre les variabilités intra-saisonnières de chlorophylle et de vent. D'autres mécanismes ont un impact sur la largeur de la bande côtière : la dynamique de la mésoéchelle induit des échanges entre la côte et le large qui exportent vers le large les eaux côtières riches. Un modèle idéalisé d'upwelling côtier a été conçu pour étudier cet impact. A l'aide d'une paramétrisation du courant d'alimentation de l'upwelling, la circulation est reproduite de façon réaliste avec notamment la présence d'un jet côtier de surface et d'un sous-courant le long du talus. La comparaison d'une simulation résolvant la dynamique de mésoéchelle et d'une simulation ayant la même circulation moyenne sans circulation de mésoéchelle montre que la largeur de la bande côtière riche est fortement augmentée par la circulation de mésoéchelle et que le contenu global en phytoplancton est globalement réduit par celle-ci. Cette baisse est au moins en grande partie due à l'export de phytoplancton par des filaments de vitesse négative associés à la dynamique de mésoéchellle.

La représentation des nuages est une source importante d'incertitude dans les modèles à échelle synoptique ou globale. Pour l'améliorer, la solution retenue au Laboratoire de Météorologie Physique consiste à construire un modèle de nuage le plus réaliste possible, pour pouvoir ensuite le comparer avec des représentations plus simplifiées des nuages et détecter leurs éventuelles faiblesses. Dans un premier temps, un modèle de nuage tridimensionnel et à microphysique détaillée pour la phase liquide a été développé par Leporini (2005) à partir du modèle dynamique 3D de Clark et Hall (1991) et du modèle microphysique DESCAM (DEtailed SCAvenging Model) de Flossmann et al. (1985). L'objectif de cette thèse était de compléter ce modèle avec la phase glace. Le modèle final appelé DESCAM-3D utilise au total 195 variables pour décrire les caractéristiques microphysiques des nuages. De plus, 3 distributions (sur 5 au total) servent à représenter les particules d'aérosol résiduelles et interstitielles. Ainsi, le modèle DESCAM-3D est aussi un outil particulièrement adapté pour l'étude des interactions entre aérosol - nuage. <br />Le modèle DESCAM-3D a été validé par comparaison avec des mesures aéroportées dans un nuage convectif de la campagne CRYSTAL-FACE (Cirrus Regional Study of Tropical Anvils and Cirrus Layers – Florida Area Cirrus Experiment) et avec des observations de la précipitation au sol dans un cas de convection moyenne au dessus des Cévennes (Expérience Alès 2004). Enfin, les premières études des interactions aérosol-nuages avec DESCAM-3D ont déjà montré que le nombre des particules d'aérosol influence la précipitation au sol mais aussi la dynamique du nuage et de ce fait peut avoir des répercussions sur les propriétés de l'enclume des nuages convectifs.

L'océan Austral aux moyennes latitudes est l'un des endroits les plus tempétueux sur Terre. On peut donc supposer que le passage de ces tempêtes intenses sur cette variabilité océanique intense peut avoir un impact fort sur la variabilité intra-saisonnière des couches de surface où vit le phytoplancton. Pour autant, cet impact sur le taux de croissance du phytoplancton et sa variabilité reste encore très méconnu. C'est à cette question que s'efforce de répondre ce travail de thèse visant à faire progresser la compréhension de la variabilité intra-saisonnière de la production primaire de l'océan Austral. Nos expériences de modélisation suggèrent que les apports en Fer dissous (DFe) dans les eaux de surface à l'échelle intra-saisonnière par les tempêtes jouent un rôle bien plus actif et déterminant qu'on ne le pensait pour expliquer la productivité estivale importante de l'océan Austral. Deux idées importantes ressortent: 1. Les interactions tempête-tourbillon peuvent fortement augmenter l'amplitude et l'extension du mélange vertical agissant sur des couches traditionnellement considérées comme superficielles, mais également en subsurface. Ces deux régimes de mélange possèdent des dynamiques différentes mais agissent de concert pour augmenter les flux de DFe à la surface des océans. 2. Les tempêtes génèrent des courants inertiels qui peuvent considérablement renforcer les vitesses verticales w par interaction avec les tourbillons. Cela favorise l'advection verticale de DFe à la surface de l'océan, et avoir un effet plusieurs jours après la tempête. Ces interactions entre les tempêtes et les tourbillons peuvent considérablement intensifier la variabilité production primaire. / The Southern Ocean is one of the stormiest places on earth; here strong mid-latitude storms frequently traverse large distances of this ocean. The presence of the passage of intense storms and meso to sub-mesoscale eddy variability has the potential to strongly impact the intra-seasonal variability of the upper ocean environment where phytoplankton live. Yet, exactly how phytoplankton growth rates and its variability are impacted by the dominance of such features is not clear. Herein, lies the problem addressed by the core of this thesis, which seeks to advance the understanding of intra-seasonal variability of Southern Ocean primary production. Model experiments have suggested that intra-seasonal storm-linked physical supplies of dissolved iron (DFe) during the summer played a considerably more active and influential role in explaining the sustained summer productivity in the surface waters of the Southern Ocean than what was thought previously. This was through two important insights: 1. Storm-eddy interactions may strongly enhance the magnitude and extent of upper-ocean vertical mixing in both the surface mixed layer as traditionally understood as well as in the subsurface ocean. These two mixing regimes have different dynamics but act in concert to amplify the DFe fluxes to the surface ocean. 2. Storm initiated inertial motions may, through interaction with eddies, greatly reinforce w and thus, enhance the vertical advection of DFe to the surface ocean, an effect that may last several days after the storm. Such storm-eddy dynamics may greatly increase the intra-seasonal variability of primary production.

Les échanges de chaleur entre les océans Indiens et Atlantiques sont étroitement liés à la circulation globale et au climat. Ceux-ci sont principalement réalisés par les Anneaux des Aiguilles (AR pour "Agulhas Rings'') qui sont étudiés dans cette thèse à l'aide de cartes quotidiennes d'altimétrie satellitaire et de profils hydrologiques de flotteurs Argo.En développant et appliquant l'algorithme d'identification et de suivi des tourbillons TOEddies à 24 années de cartes de la topographie dynamique absolue, nous estimons les origines, les trajectoires et la durée de vie des AR. La principale nouveauté réside dans la détection de nombreux événements de fractionnement et de fusion des tourbillons. Cette innovation conduit à la définition d'un réseau de trajectoires au lieu d'une identification biunivoque entre un tourbillon et une trajectoire. Les résultats ainsi obtenus diffèrent considérablement des évaluations précédentes en connectant des tourbillons formés dans l'océan Indien en amont du courant des Aiguilles à d'autres dans le courant du Brésil.La collocation des segments reconstruits des trajectoires des AR avec les profileurs Argo donne accès à leur structure thermohaline ce qui permet d'en estimer l'évolution au cours de leur propagation. En particulier, nous montrons la modification d'un AR passant d'une structure de surface à une de sub-surface dû à sa subduction lors de son entrée dans le gyre subtropical de l'Atlantique Sud. Cette transformation se traduit par la création de deux cœurs d'eau Modale qui concentrent la majeure partie du contenu de chaleur de cet AR.Enfin, une estimation de la répartition géographique de plusieurs AR est obtenue à partir des tourbillons détectés dans le bassin du Cap et dans l'océan Atlantique Sud. Cette répartition géographique montre que, en général, les AR subductent lorsqu'ils quittent le bassin du Cap. De plus, pour chaque tourbillon suffisamment échantillonné par les flotteurs Argo, nous estimons son anomalie de contenu thermique calculée en fonction de son environnement. Ces anomalies s'avèrent être importantes tout au long de leur trajectoire bien que les AR perdent de la chaleur en se propageant. En combinant des méthodes eulériennes et lagrangiennes, nous estimons le transport de chaleur en sub-surface effectué par les AR lors de leur propagation dans l'Atlantique Sud. / The Indo-Atlantic interocean heat exchanges are tightly linked to global ocean circulation and climate. They are principally achieved by the Agulhas Rings (AR) which are investigated in this thesis by means of 24 years of daily satellite-altimetry maps and Argo floats profiles.By applying the TOEddies eddy identification and tracking algorithm, developped in this study, to daily maps of Absolute Dynamical Topography (ADT), we estimate Agulhas Rings origins, paths and lifetime. The main novelty lies in the detection of numerous eddy splitting and merging events that leads to the definition of a network of trajectories instead of a biunivocal identification between an eddy with a single trajectory. The results obtained by the network differ considerably with previous estimates connecting eddies formed in the Indian Ocean upstream of the Agulhas Current to eddies in the Brazil Current.The collocation of the reconstructed segments of AR trajectories with Argo profiling floats gives access to their thermohaline structure which allows to estimate their in-route evolution. In particular, we show modification of an AR, transitioning from a surface to a subsurface intensified eddy while it subduct when entering the South Atlantic subtropical gyre. This transformation results in the creation of two Mode Water cores which concentrate most of the heat content of this AR.Finally, an estimate of AR geographical distribution was obtained from the numerous eddies detected in the Cape Basin and South Atlantic Ocean. It shows that AR generally subduct when they leave the Cape Basin. Moreover, for each eddy sufficiently sampled by Argo floats, we were able to estimate its heat content anomaly with respect of the environment. AR heat content anomalies result to be important all along their trajectories even if they release heat along their path. Combining both eulerian and lagrangian methods, we estimate the sub-surface heat transport achieved by their AR while they propagate in the South Atlantic.

La mer des Salomon est une mer semi-fermée située dans le Pacifique subtropical. Elle connecte les masses d'eau des subtropiques à l'équateur via les courants de bord ouest de faibles latitudes (LLWBCs) et pourrait de ce fait moduler à l'échelle décennale le climat du Pacifique tropical. Très peu d'observations sont disponibles pour l'étude de cette région. Un des objectifs principaux de cette étude est la mise en place d'un modèle réaliste d'océan à haute résolution (1/36°) de la mer des Salomon permettant la résolution d'une large gamme d'échelles, particulièrement la mésoéchelle et marginalement la sous-mésoéchelle. La circulation générale est étudiée ainsi que la variabilité à mésoéchelle et à sous-mésoéchelle. La représentation de la circulation simulée par le modèle 1/36° est non seulement validée par les observations disponibles mais aussi améliorée par rapport à celle simulée par les modèles antérieurs. La variabilité mésoéchelle simulée dans le modèle à haute résolution est fortement augmentée par rapport à celle issue des modèles antérieurs et est en bon accord avec les observations. Des études spectrales en nombre d'onde de la température de surface, de la dénivellation de la surface libre et de l'énergie cinétique ont été réalisées dans la mer des Salomon et suggèrent que les pentes spectrales obtenues sont proches de la théorie classique de la quasi-géostrophie de surface (SQG). / The Solomon Sea is a semi-closed sea located in the subtropical Pacific Ocean. It connects subtropical water masses to the equatorial one through the low latitude western boundary currents (LLWBCs) and could potentially modulate the tropical Pacific climate at decadal time-scales. This region is not well documented because of few available observations. One of the main objective of this study is to set up a high resolution realistic ocean model of the Solomon at 1/36° that will allow to resolve a broad range of scales, especially the mesoscale and partially the sub-mesoscale processes. The general circulation and the mesoscale and sub-mesoscale variabilities are studied. The representation of the high resolution circulation is consistent with the available observations and is better resolved than in previous coarser resolution models. The mesoscale variability in the high resolution model is strongly increased compared to that of previous models and is in a good agreement with the observations. SST, SSH and kinetic energy wavenumber spectra in the Solomon Sea show spectral slopes closed to the surface quasi-geostrophy SQG theory.