La dynamique océanique, notamment dans les régions Australes, se caractérise par d'importantes fluctuations induites par les processus à mésoéchelle (tourbillons, 100-200km) et à sous-mésoéchelle (filaments, <50km). Ces processus sont connus pour stimuler fortement le développement du phytoplancton et avec lui l'ensemble de la chaine trophique. Toutefois les relations entre la distribution des proies et celle des prédateurs sont encore loin d'être bien connues pour la plupart des espèces marines. C'est en particulier le cas pour l'éléphant de mer austral (EDM) dont les proies souvent localisées à grandes profondeurs. Cette thèse s’est intéressée à étudier comment le comportement de plongée et de chasse des EDM est influencé par les variations à fine échelle de l'environnement. Une des originalités de cette thèse a été d’utiliser les mesures à très haute résolution récoltées par les éléphants de mer qui constituent un jeu de données 3-D in-situ unique à sous-mésoéchelle, puis de les combiner aux mesures satellites plus classiques de température et d'altimétrie. Ce travail a montré, pour la première fois à l’aide de données in-situ très haute résolution, l’importance des zones frontales à sous-mésoéchelle dans le comportement alimentaire d’un prédateur supérieur. De plus, elle a permis le développement d’une méthode originale d’identification des zones frontales à fine échelle et confirmé la pertinence de la méthode Quasi-Géostrophique de Surface (SQG) dans l’étude de la dynamique fine échelle, notamment dans les perspectives des futures missions spatiales à hautes résolutions (de type SWOT). / Ocean dynamics, especially in the southern ocean, are caracterized by strong fluctuation due to mesoscale (eddies, 100-200km) and submesoscale (filaments, <50km) processes. Theses processes are known to strongly stimulate primary production and with him the rest of the trophic chain. However, in marine ecosystems, relationship between prey and predator distribution remain challenging to understand. Such complexe link exist within the Southern Elephant Seal (SES) and their deep diving prey.This PhD worked to understand how the SES diving and foraging behaviour is impacted by submesoscale variation of the environment. Two original aspects of this work was first to use the very high resolution measurement from SES as an unique 3-D in-situ submesoscale dataset and then to combine it to, more classic, satellite temperature and altimetry measurement. This work showed, for the first time the in-situ impact of submesoscale frontal regions on one top predator foraging behaviour. Furthermore, during this study, an original method to identify fine scale frontal regions was developped. Finally, this PhD confirm the relevant use of the Surface Quasi-Geostrophic method in the study of fine scale dynamics, especially in the possibility of high resolution spatial missions (such as SWOT).

Le but de cette thèse est d'analyser plusieurs phénomènes de bord ouest de la Mer d'Arabie : (i) le cycle de vie d'un tourbillon de mésoéchelle persistant, le Great Whirl; (ii) la dynamique d'un écoulement d'eau dense (outflow) formée dans une mer adjacente, l'outflow du Golfe Persique; et (iii) une remontée d'eau profonde (upwelling) saisonnière dans la zone côtière d'Oman. Le point commun entre ces phénomènes est leur localisation sur un bord ouest océanique. Ils sont donc influencés par des forçages locaux (notamment les vents de mousson) et les forçages à distance (ondes de Rossby et tourbillons dérivant vers l'ouest). En particulier, ces derniers vont jouer un rôle particulier car la Mer d'Arabie est située à basses latitudes, ce qui implique une propagation rapide des ondes longues et tourbillons. De plus, des ondes sont continuellement excitées par le régime saisonnier des moussons. Nous avons mis au point des expériences numériques de différentes complexités en utilisant un modèle aux équations primitives. Ces expériences permettent soit de simuler de manière réaliste la dynamique complexe de la Mer d'Arabie, soit d'isoler un processus en particulier. Les résultats principaux peuvent se résumer comme suit : (i) le cycle de vie du Great Whirl est significativement impacté par les ondes de Rossby annuelles. Le rotationnel de la tension de vent joue un rôle important dans le maintien, le renforcement et la barotropisation du tourbillon. (ii) La dispersion de l'Eau du Golfe Persique (Persian Gulf Water, PGW) est déterminée par le mélange induit par les tourbillons de mésoéchelle. Précisément, ces tourbillons entrent dans le Golfe d'Oman (où se déverse la PGW), et interagissent avec la topographie. Ces interactions frictionnelles produisent des bandes de vorticité très intenses dans la couche limite de fond. Celles-ci sont arrachées et forment des tourbillons de sous-mésoéchelle. Ces tourbillons capturent de la PGW initialement située sur la pente continentale et la redistribuent dans le golfe d'Oman. Ce mécanisme donne finalement lieu à du mélange, permettant d'expliquer le gradient de salinité climatologique observé en profondeur. (iii) La dynamique de l'upwelling saisonnier au large d'Oman contraste fortement avec la dynamique des upwelling de bord est (Eastern Boundary Upwelling Systems, EBUS). En effet, les ondes de Rossby se propagent vers le large dans les EBUS et vers la côte dans l'upwelling de bord ouest d'Oman. Ces ondes modulent la réponse en température de l'upwelling forcé par le vent.Dans l'ensemble, ces résultats sont relativement spécifiques à la Mer d'Arabie. La faible extension zonale et la basse latitude de la Mer d'Arabie, ainsi que le régime de mousson des vents saisonniers en font une région particulière. La propagation rapide des ondes et tourbillons et leurs interactions avec le bord ouest façonnent les régimes de turbulence de la Mer d'Arabie. / This PhD aims to investigate some western boundary processes in the Arabian Sea : (i) the life cycle of the socalled Great Whirl, a persistent mesoscale eddy; (ii) the dynamics of the Persian Gulf outflow, a marginal sea dense outflow; and (iii) the seasonal Oman upwelling, a coastal upwelling forced by summermonsoonal winds. The cornerstone of all these phenomena is their locationat a western boundary, which makes then being influenced by both localforcing (e.g., monsoonal winds) and remote forcing (Rossby waves and wesward drifting eddies). Specifically, the later are expected to impact the western boundary dynamics since the low latitude of the Arabian Sea implies a fast westward propagation of long Rossby waves and eddies. Moreover, waves are continously excited by the reversing monsoonal winds. Based on a primitive equation model, we designed numerical experiments of different complexity that allowed to either realistically simulate the dynamics in the Arabian Sea or to isolate some processes.Major findings can be summarized as follows : (i) The Great Whirl life cycle is found to be significantly paced by annual Rossby waves, although the strong monsoonal wind stress curl is of major importance to sustain the structure. (ii) The Persian Gulf Water (PGW) spreading in the Gulf of Oman and the northern Arabian Sea can be explained by the stirring done by eddies entering the Gulf. These remotely formed surface intensifed mesoscale eddies propagate into the Gulf and interact with the topography. Frictional interactions produce intense vorticity strips at the boundary that detach and roll up in the interior, forming submesoscale coherent vortices (SCV). These SCV trap PGW initially located on the slope and redistribute it in the interior. This mechanism of transport ultimately produces mixing that explains the large-scale gradient of salinity in the gulf. (iii) We find that the dynamics of the seasonal upwelling of Oman contrasts with the more deeply studied Eastern Boundary Upwelling Systems (EBUS). In particular, Rossby waves, propagating offshore in EBUS vs. onshore in this western boudary upwelling, are found to modulate the wind driven upwelling and its sea surface temperature response.Overall, these results appear to be rather specific to the Arabian Sea. The short zonal extent and the low-latitude of the Arabian Sea, as well as the seasonally reversing wind forcing are the distinguishing features of this region. Fast waves and drifting eddies and their interactions with the western boundary significantly shape the turbulent regimes of the western Arabian Sea.

Depuis quelques années, les observations spatiales des traceurs, comme la température de surface de l'océan (SST) ou la couleur de l'océan, ont révélé la présence de filaments à sous-mésoéchelle, qui ne peuvent être détectées par les satellites altimétriques. Ce travail de thèse explore la possibilité d'utiliser les informations dynamiques contenues dans les images traceur haute résolution pour compléter l'estimation de la dynamique océanique de surface effectuée par les satellites altimétriques. Pour ce faire, la méthode d'inversion développée est inspirée de l'assimilation de données images. A l'aide d'une fonction coût, on mesure la distance entre une image du flot dynamique et l'image des structures présentes sur le traceur. On a choisi pour cette étude d'utiliser le FSLE (Finite-Size Lyapunov Exponents) comme proxy image de la dynamique. Cette méthode est testée avec succès sur plusieurs cas test d'observations spatiales. Un modèle de processus coupl é physique-biogéochimie ainsi qu'un modèle réaliste de la mer des Salomon sont utilisés pour estimer l'erreur associée à la méthode d'inversion et la pertinence de la correction effectuée. L'utilisation conjointe d'images traceurs et de données altimétriques présente un fort intérêt pour le contrôle de la circulation océanique.

La formation des Cyclones du Cap Vert met en jeu divers processus : les thalwegs, dorsales de l'onde d'Est africaine et l'anticyclone saharien en moyenne troposphère, les thalwegs des moyennes latitudes en moyenne et haute troposphère, le flux de mousson et les alizés au large de la côte Ouest africaine en basse troposphère, les systèmes convectifs. Ces processus sont étudiés à l'aide d'une climatologie sur cinq ans d'analyses du Centre Européen de Prévision Météorologique à Moyen Terme et d'images Meteosat. Deux cas particuliers sont ensuite modélisés avec Méso-NH : celui de la perturbation qui a donné naissance à l'ouragan Helene (2006) et celui de la « Perturbation D », un cas de non-cyclogénèse observé pendant la campagne AMMA / SOP-3 à Dakar en septembre 2006. Les évolutions des perturbations simulées sont quantifiées à l'aide de bilans d'énergie et de tourbillon. Le résultat principal de cette thèse est que l'ajustement géostrophique du champ de vent à une perturbation de pression d'origine convective dans la région des Îles du Cap Vert ne se produit que lorsqu'il y a un apport d'énergie cinétique tourbillonnaire par une conversion barotrope, ainsi qu'une advection horizontale de tourbillon cyclonique. Ceci confirme l'hypothèse bien connue selon laquelle la cyclogénèse tropicale est le résultat d'une interaction entre systèmes convectifs et un environnement favorable.

Ce travail examine comment l'assimilation de données de SSH et de SST par un filtre de Kalman de rang réduit dans un modèle couplé physique-biogéochimie de l'Atlantique Nord peut améliorer la représentation des processus physiques des couches superficielles importants pour la biogéochimie. On montre tout d'abord que le schéma d'assimilation original est inadapté, car l'estimation d'état ne respecte pas les contraintes de stabilité hydrostatique, stabilité dynamique et de continuité temporelle. Deux nouveaux schémas imposant la stabilité hydrostatique, et un schéma de correction continue sont proposés, et évalués par des simulations annuelles en 1998. L'apport en nutriment dans la zone euphotique permet de quantifier la qualité du couplage. Les apports diffusifs sont améliorés, tandis que les apports advectifs sont surestimés. La production primaire annuelle est plus réaliste, mais son cycle annuel reste mal représenté. Les écarts aux observations dans les hautes latitudes et le centre du gyre subtropical sont liés aux défauts du modèle biogéochimique.

Les précipitations sont caractérisées par une variabilité extrême sur une large gamme d'échelles spatiales et temporelles. Elles résultent de phénomènes non linéaires qui produisent des extrêmes violents et localisés difficiles à représenter dans les modèles météorologiques. Il est alors souhaitable de pouvoir disposer de représentations stochastiques susceptibles de reproduire les propriétés statistiques des précipitations aux différentes échelles. Une famille de candidats possibles est constituée par les cascades multifractales, initialement introduites en mécanique statistique de la turbulence. Dans ce travail, nous considérons le modèle des " multifractales universelles " (Schertzer & Lovejoy, 1987), qui permet de caractériser les propriétés statistiques d'un champ d'un point de vue multi-échelle au moyen de trois paramètres fondamentaux (" universels "). Nous avons appliqué des outils d'analyse multifractale à des jeux de données de précipitations représentatifs de la variabilité à la sub-mésoéchelle, notamment à des cartes radar de pluie et à des séries chronologiques à très haute résolution temporelle. Cette étude a permis d'identifier les gammes d' " invariance d'échelle " dans lesquelles des symétries multifractales prédominent, et d'estimer les trois paramètres universels. Nous montrons aussi que l'application des algorithmes d'analyse à l'intérieur des événements de pluie fournit des résultats sensiblement différents de ceux généralement publiés. On a pu démontrer, par des calculs théoriques et au moyen de simulations, que les algorithmes classiques d'analyse multifractale sont très sensibles à la proportion de zéros dans les champs, ce qui est évidemment problématique pour la pluie. Une méthode d'analyse pondérée par le support d'occurrence de pluie des données a été proposée pour corriger les biais. Les valeurs des paramètres universels corrigés semblent indiquer que la pluie et les scalaires passifs présentent certaines symétries d'échelles communes aux échelles suffisamment grandes pour que l'advection turbulente domine les effets inertiels. Enfin, on montre que l'existence de propriétés multifractales présente un grand intérêt au niveau des applications. Notamment, un algorithme de downscaling multifractal universel a été défini. Cet algorithme exploite les symétries caractérisées par les paramètres universels pour générer une variabilité statistiquement réaliste à des échelles plus fines qu'une échelle d'observation donnée. Potentiellement, cet algorithme pourrait être utilisé pour générer des séries de précipitations de résolution horaire à partir de données journalières, ou pour augmenter la résolution de cartes de précipitations, ce qui peut donner lieu à des applications en hydrologie.

L'océan est le siège de mouvements complexes à toutes échelles spatiales et temporelles. Au sein d'une circulation moyenne et globale existe une circulation secondaire peuplée de fronts, de méandres, de jets étroits, de tourbillons, que l'on nomme circulation à mésoéchelle. L'observation spatiale permet une description et une évaluation synoptique de cette dynamique à mésoéchelle au moyen de l'altimétrie et la diffusiométrie. Cette évaluation a été le premier objectif de cette thèse et a permis de développer un produit distribué à la communauté scientifique internationale : le produit GEKCO. Cependant la description des processus submésoéchelle à plus fine résolution nécessite l'utilisation de données à super-résolution (couleur de l'eau, température de surface) qui ont la possibilité de représenter toute la complexité d'un océan en régime de turbulence pleinement développée. Une méthode à la croisée de l'océanographie physique et de la "science de la complexité" utilisant la formulation microcanonique de la cascade multiplicative, le produit GEKCO et des images de température de la mer, a fait l'objet de la seconde partie de ce manuscrit. La dynamique océanique étant la clef de voûte de tout le monde marin du vivant, la dernière partie de cette thèse s'est intéressée à l'impact de la circulation à mésoéchelle et à submésoéchelle sur la chaîne trophique marine en se focalisant sur ses deux extrémités. L'étude de la circulation à submésoéchelle a permis de montrer qu'elle joue un rôle prépondérant pour la biomasse marine ; un rôle d'activateur en océan ouvert et un rôle d'inhibiteur dans les systèmes d'upwelling de bord Est. Différentes études sur les trajets de prédateurs marins supérieurs ont démontré la nécessité de prendre en compte la dynamique océanique pour interpréter leur comportement de navigation.