Des épisodes de précipitations intenses se produisent fréquemment sur les Alpes durant la saison automnale, occasionnant régulièrement de nombreux dégâts matériels et humains.<br />L'amélioration de leur prévision est un enjeu majeur de la météorologie opérationnelle actuelle.<br />En 1999, le programme MAP (Mesoscale Alpine Programme) a été mis en place afin de recueillir une base de données importante décrivant plusieurs de ces épisodes.<br />Certains de ces épisodes ont été simulés à l'aide du modèle non-hydrostatique Meso-NH.<br />L'attention est d'abord portée sur la sensibilité de la prévision d'un épisode fortement convectif au schéma microphysique utilisé, ainsi qu'aux conditions initiales. Ensuite l'étude est élargie à deux autres évènements et il est mis en évidence des comportements microphysiques différents en fonction des caractéristiques du flux incident.

La prise en compte des traînées de condensations (contrails) dans les modèles de grande échelle requiert une paramétrisation. Cependant, les données actuelles sont insuffisantes pour cette paramétrisation. La simulation numérique détaillée d'un contrail complète les données et elle contribue à mieux définir ces paramétrisations. Les études des aéronefs ont mis en évidence le rôle de la turbulence atmosphérique dans la dynamique des tourbillons de sillage. Pourtant, la majorité des simulations numériques de contrails réalisées à ce jour utilisent une représentation simplifiée et paramétrée de cette turbulence, plutôt que de la résoudre explicitement. Le travail réalisé ici consiste à mettre en place une simulation de contrail avec une résolution tridimensionnelle de la turbulence atmosphérique. Dans un premier temps, une méthode de forçage stochastique a été mise en place pour engendrer des écoulements turbulents dans un milieu stratifié, et on montre la capacité de cette méthode à reproduire la turbulence de l'atmosphère. Dans un second temps, une simulation de contrail a été mise en place en utilisant la turbulence atmosphérique engendrée précédemment. Les effets du niveaux de turbulence, de la température et de la saturation en vapeur d'eau sur le contrail sont étudiés pour les quatre premières minutes : la turbulence contrôle la destruction des tourbillons de sillage, alors que la saturation et la température contrôlent la persistance et le taux de formation de glace. Les propriétés microphysiques et optiques obtenues sont en accord avec les observations et des lois sont proposées pour adapter ces propriétés aux paramétrisations des modèles de grande échelle.

La prévision de l'intensité des cyclones tropicaux est aujourd'hui un enjeu scientifique majeur. Parmi de nombreux facteurs multi-échelle, l'impact de la microphysique nuageuse et des aérosols sur les variations d'intensité a été récemment mis en évidence. Cette problématique a motivé l'évaluation du schéma microphysique à 2-moments LIMA en milieu tropical et le développement d'un couplage avec le schéma d'aérosols ORILAM au sein du modèle atmosphérique Meso-NH. L'intérêt de ce développement numérique est d'inclure l'émission des aérosols marins en fonction des vents cycloniques et des paramètres océaniques. L'application de ce couplage aérosols-microphysique à la simulation du cyclone tropical Dumile (2013) montre que le modèle couplé tend à améliorer la représentation de l'intensité, la trajectoire, la structure microphysique du cyclone tropical et les précipitations associées, en comparaison avec les observations. La production secondaire des cristaux de glace est également un thème de recherche actif en microphysique nuageuse. Ainsi, une paramétrisation du processus de rupture collisionnelle de la glace a été implémentée dans le schéma microphysique LIMA. L'impact de ce processus a été testé sur le développement d'un orage des moyennes latitudes et sur le cyclone tropical Dumile. Les deux cas d'étude ont des réponses similaires vis-à-vis de ce processus : une augmentation de la concentration et de la masse des cristaux de glace et une diminution des cumuls de précipitations. La poursuite de ces travaux pourrait permettre de déterminer si ce processus de formation secondaire peut améliorer la modélisation de la couverture cirriforme des cyclones tropicaux. / Intensity forecast of tropical cyclones is a major scientific issue. Among many factors, the impact of cloud microphysics and aerosols on intensity variations has been recently underlined. This issue motivated the evaluation of the 2-moment microphysical scheme LIMA in a tropical context and the development of a coupling with the aerosol scheme ORILAM into the atmospheric model Meso-NH. The interest of this numerical development is to represent the emission of sea salt aerosols depending on cyclonic winds and oceanic parameters. The application of this aerosols-microphysics coupling to the simulation of tropical cyclone Dumile (2013) shows that the coupled model tends to improve the representation of the intensity, the track, the microphysical structure of the tropical cyclone and the associated precipitation, when comparing with observations. The secondary production of ice crystals is also an active research topic in cloud microphysics. A parameterization of the collisional ice break-up process is thus implemented into the microphysical scheme LIMA. The impact of this process has been analyzed on a mid-latitude storm and on tropical cyclone Dumile. Both case studies display similar results regarding this process: an increase of ice crystals concentration and mass, and a decrease of precipitation. The continuation of this work could allow to determine if this process of secondary formation could improve the cirrus modelling in tropical cyclones.

La météorologie tropicale est un élément majeur pour le fonctionnement de l’atmosphère et pour le climat terrestre. Le satellite Megha-Tropiques regroupe des instruments de télédétection utilisant des algorithmes de restitution complexes. Cette thèse participe à la mise au point de stratégies de validation de ces algorithmes par l’acquisition d’une meilleure connaissance de la phase glacée des systèmes convectifs de méso-échelle (MCS) tropicaux, en s’appuyant sur la campagne de mesures réalisée à Niamey au Niger à l’été 2010. De nombreux MCS à fort contenu en glace (IWC, Ice Water Content) ont été documentés à la fois par une instrumentation aéroportée, et par des radars au sol. Les informations obtenues grâce aux sondes aéroportées, et l’utilisation d’une loi masse-diamètre permettent de calculer une valeur de réflectivité Zin-situ. Le développement d’une méthode de colocalisation des mesures réalisées par les radars sol sur la trajectoire de l’avion a abouti à la validation du calcul de Zin-situ. La relation entre la réflectivité et l’IWC n’a pas été clairement observée pour le radar-précipitation du MIT. De plus, l’IWC est mieux documenté avec un radar-nuage qu’avec un radar-précipitation car ce dernier est trop sensible aux cristaux de grande taille. Les mesures in-situ s’avèrent donc indispensables pour obtenir l’information microphysique utile à la validation des algorithmes de restitution satellites et elles ne peuvent pas être remplacées par des mesures de réflectivités effectuées depuis le sol. L’utilisation du modèle numérique WRF (Weather Research and Forecasting) pourrait également permettre de connaître au mieux les MCS. Pour le cas d’étude analysé dans cette thèse, la modélisation a généré une ligne de grains mais n’a pas reproduit correctement toutes les caractéristiques du MCS réellement observé. Des différences dynamiques et microphysiques sont apparues. L’analyse du champ de réflectivité simulé grâce aux CFAD (Contoured Frequency by Altitude Diagrams) a montré une sous-estimation de la réflectivité par rapport aux observations. L’utilisation du schéma microphysique de Morrison, plus complexe que celui de Thompson initialement employé, n’a pas permis d’améliorer les résultats. Les performances du modèle WRF ne sont pas encore suffisantes pour aider à la validation des algorithmes de restitution satellites. / Tropical meteorology is a major issue for atmospheric physics and earth’s climate. The Megha-Tropiques satellite combines several teledetection instruments which need complex restitution algorithms. This work contributes to the development of validation’s strategies for these algorithms. This requires a better knowledge of the tropical mesoscale convective systems’ (MCS) ice phase. In this thesis, we use data from the Niamey’s (Niger) campaign, which took place during summer 2010. Numerous MCS with high Ice Water Content (IWC) were analyzed with an airborne instrumentation and ground radars. Reflectivity Zin-situ is calculated using airborne microphysic probes’ information and a mass-diameter relationship. A spatial and temporal interpolation technique is developed to colocalize the aircraft position with ground radar measurements. This method leads to the validation of Zin-situ calculation. The relationship between reflectivity and IWC is not satisfactory for the MIT precipitation radar. Moreover, the cloud radar gives better informations about the IWC than the precipitation radar. Indeed, precipitation radars are too sensitive to large ice crystals. Therefore, in-situ measurements are essential to get microphysic information in order to validate restitution algorithms used by satellites. They can’t be replaced by ground based reflectivity measurements. The WRF (Weather Research and Forecasting) model was used in order to get a better knowledge of MCS. In this work, we analyzed one case study. For this case, WRF generates a typical squall line but it doesn’t correctly reproduce every observed characteristics. Several dynamical and microphysical differences appear between simulation and observations. The simulated reflectivity field is analyzed by CFAD (Contoured Frequency by Altitude Diagrams) and it shows a general underestimated reflectivity compared to the observations. The Thompson microphysic scheme is replaced by the more complex Morrison scheme, but this modification doesn’t improve the results of the simulation. Consequently, the WRF model isn’t yet efficient enough to help with the restitution algorithms’ validation.

Dans le domaine de la modélisation du brouillard ou des nuages bas, la compréhension précise des interactions complexes entre la turbulence, la microphysique, et le rayonnement reste un enjeu majeur pour améliorer la prévision numérique. Si l'amélioration de la modélisation du brouillard est un enjeu important pour la prévision dans le domaine du transport, elle l'est aussi dans le domaine industriel en raison de ses rejets atmosphériques (aéroréfrigérants industriels, brouillards pollués . . . ). La version 1D de Code_Saturne a été utilisée pour la simulation du brouillard sur les données de la campagne ParisFog réalisée sur le site du SIRTA pendant l'hiver 2006-2007. La simulation des cas observés a permis de montrer que le modèle était capable de reproduire correctement les principaux processus mis en jeu dans le brouillard depuis sa formation jusqu'à sa dissipation. Une étude de sensibilité aux différentes paramétrisations physiques choisies a montré que la dynamique du brouillard est particulièrement sensible à la fermeture turbulente, la teneur en eau à la sédimentation, et le spectre des gouttes au schéma de nucléation. La mise en oeuvre de Code_Saturne 1D sur une longue période en mode prédictif a montré la robustesse de nos choix et l'apport du couplage par nudging avec un modèle de méso-échelle à 36 heures d'échéance. La version 3D de Code_Saturne nous a permis d'étudier l'effet des hétérogénéités spatiales du site SIRTA sur la formation du brouillard. Dans un premier temps, les calculs ont été effectués sur le site considéré comme homogène horizontalement, sans la prise en compte des hétérogénéités. Il s'agissait ici de comparer la version 3D de Code_Saturne en mode RANS avec l'ensemble des paramétrisations physiques concernant le brouillard avec la version 1D. Ensuite, les effets de la prise en compte de la rugosité, des zones boisées et des bâtiments ont été étudiés.

La présence de brouillard occasionne des perturbations des transports aériens et routiers et peut être à l'origine d'accidents graves. Cependant, le brouillard est en général un phénomène de petite échelle, influencé aussi bien par les transports advectifs locaux, les échanges turbulents que par sa structure microphysique. Une paramétrisation microphysique basée sur le modèle unidimensionnel de prévision du brouillard, PAFOG, a été introduite dans le modèle méso-échelle tridimensionnel,"Lokal Model". L'évaluation des prévisions de LM-PAFOG montre la dispersion des performances du modèle entre les périodes de jour et de nuit. Des comparaisons avec d'autres systèmes de prévision du brouillard pointent l'influence d'un schéma d'assimilation adapté, ainsi que celle de la paramétrisation de la visibilité. Enfin, un schéma de vérification utilisant des produits satellites pour le brouillard et les stratus bas a été testé.

La modulation des précipitations due aux lignes de grains affecte directement les populations d'Afrique de l'Ouest. C'est pour mieux comprendre la relation entre ces sytèmes et la mousson qu'a été mis en place le projet Analyse Multidisciplinaire de la Mousson Africaine (AMMA) qui s'est accompagné d'une grande campagne de mesure en 2006. C'est dans ce cadre qu'a été déployé le radar RONSARD qui nous a permis d'obtenir des champs de vent d'une part, et des classifications polarimétriques d'autre part. Cette étude tire son intérêt d'une utilisation combinée d'observations, de classifications polarimétriques du RONSARD et de modélisation grâce à une méthode de restitution microphysique, initialement développée pour les fronts européens, et adaptée aux conditions tropicales, et à l'intensité des lignes de grains. Le modèle microphysique a permis d'effectuer des restitutions en accord avec les observations du RONSARD. Pour représenter au mieux la partie convective et stratiforme d'une ligne de grains, on a montré qu'il fallait représenter au moins deux espèces de glace précipitante (graupels et neige). On a mis en évidence la compétition entre le dépôt de vapeur d'eau sur la glace précipitante et la condensation de la vapeur d'eau en gouttelettes de nuage liquide dans la formation des précipitations glacées, et le rôle de celles-ci dans la formation des précipitations liquides. Le modèle microphysique nous a permis de déterminer les processus importants dans la formation des précipitations, à savoir la condensation de la vapeur d'eau en nuage liquide, la fonte, le givrage et l'accrétion du nuage liquide par la pluie. L'utilisation d'un modèle diagnostique microphysique et d'un modèle de transfert radiatif permet de relier le contenu en glace à la température de brillance, mais surtout d'établir des relations entre processus microphysiques, température de brillance et contenus intégrés en eau.

Le littoral méditerranéen français est fréquemment affecté en automne par des épisodes de forte pluie. La région montagneuse des Cévennes – Vivarais (Massif Central) est une des régions affectées par ces épisodes de précipitations intenses (appelés Cévenols) qui peuvent provoquer des catastrophes naturelles entraînant des dommages économiques importants et des pertes de vies humaines. La prévision de tels épisodes par les modèles numériques de prévision du temps a été considérablement améliorée; cependant, des incertitudes en ce qui concerne leur intensité demeurent. L’amélioration des paramétrisations microphysiques dans ces modèles de prévision est un élément clé pour la réduction des erreurs. Le but de cette étude était de mieux comprendre les processus microphysiques qui régissent les épisodes de fortes précipitations et l’impact des particules d’aérosol atmosphériques sur ces précipitations en exploitant les observations du programme de recherche HYMEX et de la campagne de mesures associée qui s’est déroulée en 2012 dans le Sud de la France. L’étude s’est portée sur l’épisode de précipitation intense observé le 26 Sept. 2012 lors de la Période d’Observations Intenses (POI) 7a. Les observations disponibles ont été évaluées et comparées aux résultats de simulations effectuées avec le DEtailed SCAvenging Model (DESCAM, Flossmann and Wobrock; 2010) qui est un modèle tridimensionnelle utilisant un schéma bin pour représenter de manière détaillée la microphysique nuageuse ainsi que les interactions entre les particules d’aérosols et les nuages. Les observations utilisées ont été faites à partir d'instruments au sol et des mesures aéroportées in situ et permettent d'évaluer le modèle. Les observations au sol sont issues de radars en bande X, de Micro-Rain Radars (MRR), de disdromètres, mais également d’une réanalyse statistique des mesures de pluie par pluviomètres et radars opérationnels (Boudevillain et al. 2016). Les observations aéroportées in-situ ont été réalisées à l’aide de sondes microphysiques et du radar nuage RASTA embarqués à bord de l'avion de recherche français, le Falcon-20. Le rôle de la pollution sur le développement et l'évolution de l’épisode de précipitation intense du POI7a a été étudié en modifiant la concentration des particules d’aérosol à l’aide de spectres en aérosols observés lors de la campagne de mesures. Les résultats ont montré que la concentration initiale des particules d’aérosol influence la distribution spatiale et la quantité des précipitations, ainsi que le contenu vertical en eau de pluie et en eau glacée du système nuageux précipitant. Pour le cas étudié, une augmentation de la concentration initiale en nombre de particules d’aérosol diminue la quantité totale de pluie au sol. Enfin, une étude de sensibilité supplémentaire sur le choix du domaine de simulation a permis de montrer le rôle essentiel de la dynamique et de l’humidité des basses couches atmosphériques de grande échelle sur la représentation du système précipitant. / The French coastline in the Mediterranean Sea is affected by heavy rainfall episodes especially in autumn. Cévennes – Vivarais, which is part of the Massif Central Mountains, is one of the affected regions. The associated heavy precipitation episodes (HPE), namely “Cévenols”, can cause natural disasters with important economic damages and life losses. The prediction of such episodes by Numerical Weather Prediction (NWP) models has been significantly improved; uncertainties remain though, regarding their occurrence and strength. The improvement of microphysical parameterizations in NWP models is one key-component for the reduction of forecast errors. The aim of this study was provide a better understanding of the microphysical processes that govern HPE and their interaction with atmospheric aerosol particles (APs) by exploiting observations from the HYMEX research program.The present study focused on the HPE from the HYMEX Intense Observation Period (IOP) 7a, whose observations were assessed and compared with modelling results from the bin-resolved microphysics scheme DEtailed SCAvenging Model (DESCAM, Flossmann and Wobrock; 2010) with 3D dynamics. This research model uses a detailed representation of the APs. Observations from ground-based instruments, as well as in-situ measurements were used for the evaluation of the model’s performance. The ground-based dataset consists of X-band Radars, Micro-Rain Radars (MRR), disdrometers, but also a rainfall reanalysis by rain gauges and operational radars (Boudevillain et al. 2016). Moreover, hydrometeor probes and the 95GHz cloud radar RASTA provided observations on-board of the French research aircraft Falcon-20.The role of pollution on the development and evolution of the HPE of IOP7a was investigated, as well. Considering that the highest AP concentrations were observed during IOP7a, the followed strategy was to perform model simulations by using less polluted observed AP spectra with lower total number concentrations. The results showed that the initial AP concentration influences the spatial distribution and quantity of rainfall, as well as the vertical properties of the rain water content and the ice water content of the precipitating cloud system. For the studied cases, with increasing the initial number concentration of APs, the total rain amount was decreased. Finally, the present study revealed a critical role of the model’s large-scale configuration necessary to correctly represent the dynamics.

L'AMÉLIORATION DES TECHNIQUES D'OBSERVATION DES PRÉCIPITATIONS À L'ÉCHELLE RÉGIONALE EST L'UN DES ENJEUX FORTS DE L'OBSERVATOIRE HYDROMÉTÉOROLOGIQUE MÉDITERRANÉEN CÉVENNES-VIVARAIS. SUITE À UNE PREMIÈRE EXPÉRIMENTATION RÉALISÉE À BOLLÈNE À L'AUTOMNE 2002, LES DONNÉES RECUEILLIES PAR LE RADAR MÉTÉOROLOGIQUE OPÉRATIONNEL DE BOLLÈNE DU RÉSEAU ARAMIS ONT SERVI DE SUPPORT À UNE CHAÎNE D'ALGORITHMES MISE AU POINT POUR L'ESTIMATION QUANTITATIVE DES PRÉCIPITATIONS AU SOL. <br />NOTRE CONTRIBUTION À CES TRAITEMENTS CONCERNE PARTICULIÈREMENT UNE SOURCE D'ERREUR POUR LA MESURE DES PRÉCIPITATIONS PAR RADAR MÉTÉOROLOGIQUE : L'HÉTÉROGÉNÉITÉ VERTICALE DES PRÉCIPITATIONS. NOUS NOUS PLAÇONS DANS LA CONTINUITÉ DE LA MÉTHODE À BASE STATISTIQUE D'IDENTIFICATION DU PROFIL VERTICAL DE RÉFLECTIVITÉ PAR INVERSION PROPOSÉE PAR ANDRIEU ET CREUTIN (1995). NOUS AVONS ÉTENDU CETTE MÉTHODE AU CAS DE SUPPORTS GÉOGRAPHIQUES ÉVOLUTIFS DANS LE TEMPS AFIN DE CONSIDÉRER LE TYPE DE PRÉCIPITATIONS (CONVECTIF, STRATIFORME). <br />L'ÉVALUATION DES TRAITEMENTS, PAR LA CARACTÉRISATION DE L'INCERTITUDE DE L'ESTIMATION DE PLUIE PAR RADAR, EST UN ASPECT IMPORTANT DU TRAVAIL. NOUS AVONS DÉVELOPPÉ UNE TECHNIQUE BASÉE SUR LA GÉOSTATISTIQUE POUR ÉTABLIR UNE PLUIE DE RÉFÉRENCE À PARTIR DE DONNÉES PLUVIOMÉTRIQUES. NOUS AVONS ÉGALEMENT DÉVELOPPÉ UN MODÈLE POUR CARACTÉRISER LA STRUCTURE STATISTIQUE DES ERREURS AINSI QUE LEUR STRUCTURE SPATIO-TEMPORELLE. <br />NOUS AVONS ENFIN DÉVELOPPÉ UNE APPROCHE D'IDENTIFICATION DU PVR À BASE PHYSIQUE. EN DIMINUANT LE NOMBRE DE PARAMÈTRE PAR RAPPORT À LA MÉTHODE INITIALE ET EN INTRODUISANT DES CONTRAINTES PLUS PHYSIQUES, CETTE APPROCHE VISE À AMÉLIORER LA ROBUSTESSE D'IDENTIFICATION DU PVR.

La neige recouvre jusqu'à 50 % des surfaces émergées de l'hémisphère Nord en hiver. Une telle importance de la glace à la surface de la terre suggère un fort potentiel d'interaction avec l'atmosphère. De telles interactions ont été mises en évidence ces dernières années, et impliquent des processus complexes, comme la catalyse de réactions hétérogènes ou l'échange de gaz traces réactifs adsorbés à la surface des cristaux de neige, la diffusion en phase solide, les cycles de sublimation/condensation de glace qui entraÎnent des solutés. Leur compréhension et leur quantification requièrent la connaissance de divers paramètres physiques dont la surface spécifique (SS) de la neige, définie comme la surface accessible aux gaz par unité de masse. L'importance de ce paramètre et le peu de données existant dans la littérature a incité à effectuer ce travail sur l'étude de la SS de la neige et son évolution dans le manteau neigeux. La SS a été déterminée par adsorption de méthane à la température de l'azote liquide (77 K). Afin de comprendre les processus responsables de l'évolution de la SS, des macrophotographies et des images obtenues par microscopie électronique à balayage ont été utilisées. L'ensemble de nos résultats (176 mesures de SS) obtenus dans les Alpes et l'Arctique a montré que la SS de la neige est très variable: elle est comprise entre 1540 et 400 cm2/g pour les neiges fraîches et peut descendre jusqu'à 100 cm2/g pour des vieilles neiges. L'étude de l'évolution de la SS indique une décroissance avec le temps qui est due aux transformations morphologiques liées au métamorphisme de la neige. Celles-ci sont essentiellement caractérisées par un arrondissement et un grossissement des cristaux, et par la sublimation des petites structures. La vitesse de décroissance de la SS a également été étudiée à différentes températures. Nos résultats ont montré que la température et le vent sont les deux principaux facteurs qui déterminent la cinétique de décroissance de la SS. A Alert, (Arctique canadien), l'étude détaillée de la microphysique du manteau neigeux a permis de mesurer directement la capacité d'adsorption de gaz traces réactifs par le manteau neigeux. Sa surface totale a été mesurée entre 1160 et 3710 m2/m2. Nous avons ainsi démontré que le manteau neigeux pouvait séquestrer une *grande partie des espèces présentes dans le système (neige + couche limite). Les meSures de SS ont également été utilisées pour déterminer les processus d'incorporation du formaldéhyde dans la neige.