Malgré l'amélioration constante des modèles de prévision opérationnelle, certains événements demeurent difficilement prévisibles, même à courte échéance. Dans ces cas, la qualité de la prévision dépend fortement de celle des conditions initiales qui lui sont fournies. Dans ce contexte, il apparaît essentiel d'améliorer des méthodes existantes et d'en développer de nouvelles afin de prendre au mieux en compte les incertitudes liées aux conditions initiales, en particulier pour la prévision d'événements intenses tels que les fortes pluies qui touchent régulièrement le bassin Méditerranéen. L'impact d'incertitudes aux conditions initiales sur la prévision de la dite “supertempête” d'Alger (novembre 2001) a été examiné au travers de simulations haute résolution réalisées avec le modèle Méso-NH. Ce cas était caractérisé par la présence d'un profond thalweg d'altitude associé à une cyclogenèse intense. Il a été montré qu'une faible perturbation initiale de la profondeur du thalweg d'altitude (et de l'intensité de l'anomalie positive de tourbillon potentiel associée) pouvait se propager et s'intensifier durant la simulation, impactant alors la prévision du cyclone de surface. Une étude détaillée des conditions de développement de la convection profonde dans chaque expérience a montré que les perturbations de petites échelles observées sur les champs de précipitations étaient directement liées à la prévision du cyclone et donc aux perturbations initiales. Dans une seconde partie, l'influence de corrections de tourbillon potentiel sur la prévision du même cas d'étude a été examinée. A l'aide du modèle opérationnel Français ARPEGE, nous avons montré que la prévision démarrant de l'analyse opérationnelle du 9 novembre 2001 à 1200 UTC n'était pas capable de reproduire le cycle de vie et le creusement de la dépression de surface. Des corrections locales de tourbillon potentiel guidées par des observations satellites issues du canal vapeur d'eau de Meteosat 7 ont conduit à une amélioration significative de la prévision du minimum dépressionnaire et des précipitations associées. A l'aide de simulations très haute résolution (2 km) Méso-NH et de l'utilisation de l'approche dite modèle-vers-satellite, nous avons montré que l'impact des modifications initiales était particulièrement positif lors des périodes de forte activité convective précédent celles de précipitations intenses.

La redécouverte en 2003 par Holbrook et al. que la colonne d'eau pouvait être imagée par la méthode de la sismique marine a débouché sur la mise en place du projet européen GO (Geophysical Oceanography). Ce projet a eu pour but d'améliorer notre compréhension de la structure à méso et sous-méso-échelle de l'océan en étudiant plus particulièrement le Golfe de Cadix où une structure thermohaline complexe est présente. Les travaux présentés dans ce travail de thèse s'inscrivent directement dans ce projet. En retraitant des données historiques de sismique marine et d'hydrologie, nous avons réhabilité le jeu de données conséquent qui existait sur cette zone. Nous avons ainsi démontré que ces données de sismique marine permettaient d'imager les structures océanographiques de la méso-échelle à la sous-mésoéchelle avec une résolution horizontale d'environ 10 m. Les données d'hydrologie dont la résolution verticale est inférieure au mètre nous permettent de calibrer les données de sismique marine en température et salinité. Afin de relier nos deux jeux de données, nous avons cherché à définir le signal sismique. Celui-ci est reconstruit en convoluant le coefficient de réflexion avec l'ondelette source du système d'acquisition sismique. Le principal facteur influençant le signal sismique est la température via le gradient de vitesse du son. Les données de sismique marine et d'hydrologie de la campagne GO acquises simultanément dans le Golfe de Cadix en Avril 2007 ont ensuite été analysées pour déterminer la nature physique et les caractéristiques géométriques des réflecteurs acoustiques dans la colonne d'eau. Les données sismiques montrent des réflecteurs intenses, proches de la surface, au-dessus des courants d'Eau Méditerranéenne (EM), au-dessus d'un Meddy, et dans une structure de sous-méso-échelle de l'EM qui sont liés à de forts contrastes thermohalins. L'analyse en ondelettes verticales appliquées aux données sismiques indique des réflecteurs de longueurs d'onde verticales (16-64 m) associées à une stratification thermohaline. En bordure du Meddy, des intrusions latérales d'eau moins salée sont révélées par des réflecteurs de 25-75 m d'épaisseur. Les données sismiques étudiées révèlent que les limites supérieures et inférieures des couches correspondent à l'existence de structures à fine-échelle. Les données basse fréquence de sismique marine permettent la détection systématique et la surveillance des tourbillons de mésoéchelle et de sous-méso-échelle qui ne sont identifiés qu'occasionnellement avec les sections d'hydrologie.

L'hydrodynamisme autour des îles océaniques et dans les régions côtières est caractérisé par la présence de nombreuses structures de méso- et de subméso-échelle. L'objectif de cette thèse est d'étudier, à partir de données in situ et de modélisation numérique, d'une part la prédominance de certains forçages dans la génération de ces structures et d'autre part leurs dynamiques et leurs impacts sur la dispersion des eaux côtières. Dans un premier temps, une étude basée sur des données issues d'un modèle hydrodynamique autour de l'archipel hawaïen a permis d'évaluer les influences respectives et l'importance des forçages du vent, de la topographie et de la circulation générale sur la génération de tourbillons de méso-échelle. Des tests de sensibilité ont mis en évidence l'intérêt d'une haute-résolution spatiale du forçage atmosphérique. Dans un deuxième temps, la dynamique côtière du Golfe du Lion (GdL) a été investie. Une première étude s'est focalisée sur les caractéristiques physiques et la dynamique d'un tourbillon dans la partie ouest du golfe à l'aide de données de la campagne Latex09 et de résultats d'un modèle hydrodynamique. Leur analyse combinée a permis d'identifier un nouveau processus de génération de tourbillons de méso-échelle dans cette zone et de mettre en évidence la formation d'une structure transitoire de subméso-échelle. Basée sur les données de la campagne Latex10, une deuxième étude s'est alors orientée sur la dispersion des eaux côtières de la partie occidentale du GdL. Un suivi lagrangien des masses d'eau a permis de déterminer les coefficients horizontaux et verticaux de diffusion dans cette zone clef pour les échanges côte-large ou interrégionaux. / The hydrodynamics around oceanic islands and in coastal areas is characterized by the presence of numerous meso- and submesocale features. The aim of this PhD thesis is to study, from in situ data and numerical modeling, firstly the predominance of some forcings on the generation of these features and secondly their dynamics and their impacts on the dispersion of coastal waters. Firstly, a study based on a series of numerical simulations in the Hawaiian region, allows us to examine the relative importance of wind, topographic and inflow current forcing on the generation of mesoscale eddies. Sensitivity tests have shown the importance of high wind-forcing spatial resolution. Secondly, the coastal dynamics of the Gulf of Lions (GoL), also subject to these forcings, has been investigated. A first part focuses on the physical characteristics and the dynamics of an eddy in the western part of the gulf, using data from the Latex09 campaign and results from a realistic hydrodynamic model of the GoL. Their combined analysis has allowed to identify a new generation mechanism for the mesoscale eddies in this area and to understand the formation of a transient submesoscale structure. This work has shown the importance of these structures in modulating exchanges in this region. Based on the data of the Latex10 campaign, a second part has then focused on the dispersion of coastal waters in the western area of the GoL. The tracking of the water masses in a Lagrangian reference frame (floats, tracer) has allowed to determine the horizontal and vertical diffusion coefficients in this key area for coastal-offshore and interregional exchanges.

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’objectif général de cette thèse est de contribuer à l’avancement de la connaissance de la variabilité du Courant Nord Méditerranéen (CN) et de ses interactions avec la dynamique côtière, en s’appuyant principalement sur une configuration numérique réaliste à haute résolution de la façade méditerranéenne française, basée sur le modèle de circulation océanique NEMO et nommée GLAZUR64.La validation de cette configuration avec toutes les observations disponibles sur la période d'étude (CTD, gliders, ARGO, radar HF, ADCP, altimétrie et SST satellite) a permis d'évaluer le réalisme des simulations et leur paramétrisation, et de montrer l'apport de la haute-résolution par rapport aux configurations de bassin au 1/12° utilisées aux frontières de GLAZUR64.Enfin, l'utilisation d'un forçage océanique opérationnel a permis d'utiliser une simulation en complément des données d'une campagne en mer, pour l'étude ciblée d'un tourbillon anticyclonique associé à un méandre du CN au large de Toulon, en avril 2011 [Guihou et al., 2013]. / The main objective of this work is to improve our knowledge of the Northern Mediterrranean Current (NC) variability and its interactions with coastal dynamics, using high-resolution modelling of the North-Western Mediterranean Sea, based on the NEMO code and nammed GLAZUR64.The configuration has been validated using all available observations for the period of study (CTD, gliders, ARGO, HF radar, ADCP, satellite altimetry and SST), in order to assess the realism of the simulations and their parameterisations. The contribution of the high-resolution for the simulation of the mesoscale dynamics, compared to 1/12° configurations used at the boundaries is shown.Finally, the use of an operationnal oceanic boundary forcing allowed us to use a combined data-model approach to study the generation and advection of an anticyclonic eddy trapped at the coast and associated to a NC meander, flowing off Toulon in April 2011 [Guihou et al., 2013].

Dans cette thèse, nous analysons les phénomènes météorologiques régionaux révélés par les récentes missions martiennes. L'approche est numérique et observationnelle : nous avons construit un modèle météorologique méso-échelle complet pour la planète Mars, dont les applications potentielles sont nombreuses, et réalisé une cartographie à haute résolution de la pression de surface en nous appuyant sur les données du spectro-imageur OMEGA à bord du satellite Mars Express. Nous nous concentrons notamment sur les intenses circulations atmosphériques au voisinage des volcans, canyons et cratères martiens. Nous analysons également l'activité météorologique régionale des plaines martiennes, bien plus marquée que ne l'indique l'analyse synoptique. Les mouvements convectifs dans la couche limite martienne sont étudiés. Mars apparaît comme un environnement propice à d'intenses phénomènes météorologiques régionaux.

Le but de cette étude était de documenter aussi précisément que possible le bilan de masse des aérosols minéraux désertiques qui sont des acteurs importants du système climatique terrestre puisqu'ils présentent un flux en masse annuel égal à environ la moitié du flux d'aérosols total. La mise en évidence de certains cas délicats à modéliser a conduit à mettre l'accent, dans ce travail, sur deux problèmes clefs de l'Afrique du nord : la région de Bodélé, du fait d'une topographie locale complexe, et les lignes de grains sahéliennes dont l'interaction avec les émissions d'aérosols minéraux reste encore largement inconnue.<br />Cette étude a été réalisée à l'échelle méso haute résolution en utilisant le modèle Regional Atmospheric Modeling System (RAMS) couplé en ligne avec le Dust Production Model (DPM) développé par Marticorena et Bergametti [1995] et Laurent [2005]. Afin d'examiner la capacité de ce modèle à reproduire les émissions d'aérosols minéraux dans la région complexe de Bodélé, nous avons tout d'abord modélisé la période correspondant à la campagne Bodélé Dust Experiment 2005 (BoDEx 2005). Notre modèle a ainsi été capable de reproduire les caractéristiques météorologiques locales (principalement le vent dans les basses couches) ainsi que les concentrations en aérosols minéraux et la structure du panache observées pendant la campagne. Nous avons aussi vérifié que les aérosols émis depuis cette région du monde atteignent le continent sud américain.<br />De plus, cette validation nous a permis de vérifier le constat établi par divers auteurs : les modèles à grande échelle (MCG) ont souvent du mal à reproduire correctement les champs de vent dans la région de Bodélé. Nous avons alors entrepris une étude climatologique (sur l'année 2001) sur une zone étendue autour de la région de Bodélé à différentes résolutions spatiales afin de caractériser les phénomènes de basses couches qui pourraient expliquer ce biais quasi-systématique des MCG. Ce travail a été validé grâce aux données de routine des stations de mesure de surface ainsi que grâce à l'imagerie satellite.<br />Le deuxième cas sur lequel la validation de notre outil était nécessaire est constitué par les événements de ligne de grains qui se succèdent sur la zone sahélienne lors de l'été boréal. Cette validation a été réalisée sur un événement bien documenté des périodes d'observations spéciales 1 et 2 de la campagne Analyse Multidisciplinaire de la Mousson Africaine (AMMA).

L'étude de la circulation dans le bassin Est de la Mer Méditerranée a été abordée par une analyse conjointe de simulations numériques réalisées avec un modèle à très haute résolution horizontale, de climatologies et d'observations in-situ et satellitaires. Une validation approfondie du modèle montre un bon accord entre les différentes masses d'eau. La circulation de surface est, elle aussi, en bon accord avec les schémas de circulation récents. Ainsi, la majeure partie de l'eau atlantique suit la côte africaine et forme un jet côtier intense au niveau de la côte libyenne, plutôt que le Mid Mediterranean Jet décrit il y a quelques années par plusieurs auteurs. Les structures de mésoéchelle bien répertoriées (tourbillons d'Egypte, Ierapetra, ...)sont également correctement reproduites. En accord avec des observations par satellite, le modèle montre que des tourbillons de mésoéchelle très énergétiques dominent la circulation de surface dans le sud du bassin Levantin. Les tourbillons de mésoéchelle sont plus énergiques en été qu'en hiver dans l'ensemble du bassin. Les simulations permettent en outre une analyse détaillée du cycle de vie de ces tourbillons et comment ils sont susceptibles d'affecter la circulation moyenne. Selon la position et le développement des tourbillons, des différents régimes de la circulation peuvent être reproduits. Notamment, les tourbillons du bassin Levantin (Tourbillons egyptiens, Lattaquié, Ierapetra) peuvent entraîner des blocages et bifurcations vers le large de l'inflow côtier d'eau atlantique de surface.

Un bilan des aérosols en jeu (CCN et IN) dans les processus de nucléation des particules de nuage élémentaires (gouttelettes et cristaux de glace) est implanté dans un nouveau schéma microphysique à 2 moments dans le modèle MésoNH. Il répond à la nécessité d'intégrer un suivi des concentrations en noyaux de nucléation dans la microphysique du nuage. En effet CCN et IN déterminent la concentration en nombre des gouttelettes et des cristaux primaires ; ceux-ci sont à l'origine de processus microphysiques qui déterminent les propriétés radiatives et précipitantes du nuage. Ainsi, l'intérêt pour le bilan radiatif des nuages à l'échelle globale nécessite-t-il de pouvoir estimer localement l'impact des aérosols sur les nuages, grâce à des outils de modélisation numérique à l'échelle des structures nuageuses qui sont capables de résoudre les processus de nucléation hétérogène des gouttelettes et des cristaux à partir des CCN et des IN, respectivement. En conséquence, le bilan des particules d'aérosols réalisé dans MésoNH s'appuie sur le traitement des concentrations en aérosols, à la fois interstitiels et activés pour chaque mode de CCN et d'IN, au moyen de couples de variables 3D pronostiques. Le bilan considère les principaux termes reflétant l'interaction aérosol-nuage, avec une attention particulière accordée à la représentation des processus de nucléation hétérogène des particules nuageuses. Ainsi établi, ce bilan permet de considérer simultanément l'activation de populations multimodales de CCN et d'IN, leur lessivage par impaction, leur transport, et donc la variabilité spatio-temporelle de ces noyaux de nucléation. La sensibilité d'un système nuageux à la formulation de la nucléation hétérogène de la glace est mise en évidence sur un cas de nuage orographique. Un cas idéalisé de ligne de grain est ensuite utilisé pour illustrer les interactions complexes qui existent entre la dynamique et la microphysique nuageuse lorsqu'elle est pilotée par une population multimodale d'aérosols.

Le laser est omniprésent dans la recherche et les applications. Les efforts de miniaturisation, qui affectent le développement de sa cohérence, se sont multipliés depuis sa découverte, mais seulement avec les plus petits Lasers à Emission Verticale (VCSELs) on détecte l'influence du volume de cavité sur les propriétés d'émission. Ainsi on se pose des questions sur l'apparition et le développement de la cohérence, sur la valeur (unique ?) du seuil laser, sur l'existence d'un tel seuil dans un nanolaser et sur la réponse à la modulation du pompage. Dans cette thèse, nous explorons le fonctionnement du laser autour du « seuil » pour obtenir des réponses expérimentales à quelques-unes des questions posées dans des lasers à la meso-échelle. Les fonctions de corrélation, la dynamique temporelle, la reconstruction de l'espace des phases, des indicateurs statistiques et des mesures spatialement résolues d'intensité et de longueur d'onde d'émission sont les indicateurs utilisés dans cette étude. La dynamique est étudiée modulant sinusoïdalement des petits VCSEL, où nous obtenons : des impulsions dans la région du seuil, amplification anormale de l'émission spontanée (en polarisation croisée), oscillations régulières et (surtout) irrégulières par la forte influence de l'émission spontanée dans ces petits dispositifs. Enfin, une caractérisation bidimensionnelle des propriétés du rayonnement, transversalement à l'émission, montre la corrélation entre la croissance de la cohérence et celle du mode laser. Pour les dispositifs plus grands, cette analyse jette les bases pour l'étude du développement de la cohérence dans les lasers spatialement étendus. / Coherent light sources are nowadays ubiquitous in scientific research and engineering applications and have been miniaturized since their inception. Physically, the onset and development of laser coherence is largely affected by the cavity size reduction, but this becomes apparent only for the smallest Vertical Cavity Surface Emitting Lasers (VCSELs). Thus the following questions arise: When does coherence set in? How does it develop? How do we define threshold? Is there a unique threshold value and does it exist at all for a nanolaser? What is the dynamical response to modulation in this uncharted territory? In this thesis we explore the regime of laser operation around what is conventionally called the threshold point and obtain experimental answers to some of the questions from mesoscale lasers. Correlation functions, temporal dynamics, phase space reconstruction, statistical indicators and spatially-resolved intensity and emission wavelength measurements are the indicators for the answers we seek. The dynamical response is investigated by applying a sinusoidal modulation to very small VCSELs, where we obtain the amplification of pulses in the threshold region, anomalous amplification of the spontaneous emission (in a cross-polarized channel), regular and (mostly) irregular pulsations due to the strong influence of spontaneous emission in these small devices. Finally, a two-dimensional characterization of the radiation properties transversely to the emission shows the correlation between coherence buildup and the establishment of a laser mode. For larger devices, this analysis lays the foundation for investigating the buildup of coherence in spatially extended lasers.