Les avalanches de neige sont un des risques naturels majeurs des régions montagneuses. Les grandeurs physiques de l'avalanche telles que la vitesse, l'épaisseur et la densité sont difficiles à évaluer au sein même de l'écoulement, alors qu'elles sont à la base des modèles d'avalanche. C'est pour ces raisons que la détermination des sollicitations exercées par l'avalanche de neige sur les ouvrages de type galerie paravalanche s'avère problématique. Le niveau de protection de ce type d'ouvrage est donc difficilement quantifiable. Dans une première partie de ce travail, nous avons fait un inventaire des ouvrages de protection et des modèles d'avalanches couramment utilisés. La deuxième partie de notre travail porte sur la connaissance et la détermination des sollicitations avalancheuses et, leurs variations spatio-temporelles sur les structures de type galerie paravalanche. Pour ceci, une expérimentation a été réalisée sur une plaque instrumentée de capteur de force placée dans un couloir d'avalanche sur le site naturel du Col du Lautaret. Pour compléter ces résultats, une expérimentation d'écoulement granulaire dans un canal incliné a été mise en place. Les résultats expérimentaux montrent que les sollicitations d'impact ont des valeurs très élevées proche de la rupture de pente et qu'elles décroissent rapidement avec l'augmentation de la distance par rapport à cette rupture. La dernière partie de notre travail consiste à étudier avec le logiciel EF Fedeaslab les réponses dynamiques de la structure des galeries paravalanches sous les chargements avalancheux obtenus expérimentalement. L'effet dynamique sur la structure a été quantifié en comparant les réponses de la structure sous chargement dynamique puis statique.

Les connaissances spatiales sont définies a partir d'une classification qui met en évidence l'importance de la topologie. L'examen d'applications différentes montre que le raisonnement spatial revêt souvent trois formes particulières non exclusives les unes des autres: la construction de topologies, l'inférence de propriétés spatiales et la localisation d'objets. Les données et les mécanismes d'inférence qui sont utilises peuvent être introduits dans des systèmes a base de connaissances qui servent alors de support au raisonnement spatial. Son graphe de dépendances possède, par ailleurs, des particularités qu'il est intéressant et, parfois, nécessaire d'exploiter pour gérer la dynamique de ces bases de connaissances spatiales. Les résultats d'inférences doivent en particulier être enregistres et le maintien de la vérité qu'exige cet enregistrement peut être facilite en exploitant une forme de localité au sein de ce graphe. Ces considérations prennent appui sur l'expérience du développement du système Elsa, destine a l'analyse de sites avalancheux. D'autres utilisations des bases de connaissances spatiales ont également été étudiées: modélisation symbolique de phénomènes spatiaux, environnements de resolution de problèmes et bases de connaissances géographiques. Elsa utilise une représentation de connaissances par objets, qui se révèle bien adaptée même si des extensions apparaissent utiles; il s'agit notamment de la prise en compte, au sein du modèle de représentation, des relations entre objets, de l'insertion d'un filtrage constructif et d'une ouverture plus grande du langage de requête. Le fait que ces extensions ne soient pas propres a l'espace et qu'elles puissent concerner d'autres types de connaissances suggère que le raisonnement sur l'espace, a défaut d'être spécifique, apparait comme un révélateur des besoins du raisonnement en général

Les travaux présentés portent sur les étapes successives qui ont conduit au développement dans les années 1980 d'un modèle numérique qui simule l'évolution temporelle d'un manteau neigeux saisonnier en fonction des conditions météorologiques. Une première partie décrit le développement d'un modèle de neige multi-couches qui calcule les échanges d'énergie entre la neige et l'atmosphère et simule les principaux processus physiques qui contrôlent les échanges au sein du manteau neigeux.Une deuxième partie décrit comment ont été quantifiées les lois de métamorphose de la neige humide et de la neige sèche soumise à un faible gradient de température, de façon à compléter les connaissances existantes et proposer un jeu relativement complet de lois de métamorphoses de la neige saisonnière. Une troisième partie décrit l'implémentation de ces lois dans le modèle numérique, permettant ainsi de simuler la stratification du manteau neigeux, fonctionnalité qui n'existait dans aucun autre modèle à cette époque. Une évaluation détaillée de ce modèle sur le site du Col de Porte est présentée. La dernière partie introduit trois applications originales qui ont ensuite exploité les fonctionnalités de ce modèle : la simulation en temps réel de l'état caractéristique du manteau neigeux dans les Alpes françaises, l'étude de l'impact du changement climatique sur l'enneigement et la simulation de l'état du manteau neigeux dans un modèle hydrologique distribué

Les milieux oroméditerranéens sont considérés comme particulièrement sensibles aux changements climatiques. Deux questions sont posées dans ce contexte : quelles sont la nature et l'ampleur des modifications climatiques à l'échelle régionale (climat et enneigement) au Chili central, depuis les années 70 ? Quels sont les changements de la végétation en montagne (dans la tranche d'altitude 1.500 - 2.500 m), en particulier au niveau de la limite supérieure de la forêt à Kageneckia angustifolia ? La première partie de la thèse présente les spécificités des milieux de montagne et les changements climatiques déjà observés de façon générale et au Chili en particulier. Elle présente aussi les sites d'étude au niveau climatique et biogéographique. La deuxième partie concerne les données et la méthodologie. Une approche scalaire est mise œuvre, avec confrontation et mise en complémentarité de différentes techniques : télédétection, chroniques climatiques et mesures in situ. La troisième partie présente les résultats. Les données climatiques enregistrées les 30 dernières années aux stations d'El Yeso (2.500 m) et de Los Bronces (3.500 m), montre une croissance d'environ 1 °C pour la température moyenne annuelle, réchauffement plus marqué à El Yeso, au niveau des températures minimales. Pour l'enneigement, il est montré une haute variation interannuelle de la couverture de neige et une élévation de la limite de la neige durant les dernières décennies, d'environ 300 m. Ces résultats, sont accompagnés d'une augmentation faible du NDVI. Au niveau de la vallée Yerba Loca, l'étude diachronique de l'écotone supraforestier montre des transformations vers une augmentation de la superficie des espaces forestiers et leur densification. Enfin, l'expérience de germination, à Yerba Loca montre qu'il existe une différence significative entre le pourcentage de germination des graines à l'intérieur des enclos et à l'extérieur, avec un effet négatif de la couverture neigeuse sur la germination des plantules.

Afin d'étudier le cycle de l'eau à l'échelle régionale, le couplage d'ISBA (le schéma de surface de Météo-France) avec MODCOU (le modèle hydrologique de l'Ecole des Mines de Paris) a été mis au point sur le Rhône pour l'année 1987/88 par Habets (1998). En raison de la forte composante nivale alpine du bassin, CROCUS (le modèle de neige de Météo-France) a été rajouté dans le système complet. La simulation du bassin versant du Rhône a ensuite été étendue à 14 années (de 1981 à 1994). Les forçages atmosphériques ont été analysés à l'aide du système SAFRAN, spécialement conçu pour les zones de relief. Bien qu'aucun étalonnage sur les débits n'ait été réalisé, les résultats du système sont validés de manière satisfaisante par comparaison avec les débits quotidiens observés en 145 stations de jaugeage sur les grands cours d'eau du bassin versant du Rhône. L'enneigement simulé reproduit bien les hauteurs de neige observées quotidiennement pour 24 postes d'altitude. Le bilan hydrique du bassin apparaît très contrasté et met en lumière trois grands ensembles : les bassins nivo-pluviaux et humides du nord (Saône, Doubs, Ain), les bassins pluviaux et secs du sud (basse Durance, Ardèche) et les bassins alpins fortement enneigés (Isère, Drac, Haute-Durance). L'outil ainsi validé a ensuite été utilisé pour évaluer l'impact d'un changement climatique sur les grandes composantes hydriques du bassin versant. Une attention particulière a également été apportée à l'impact d'une augmentation de la résolution des calculs sur la qualité de la simulation du bassin nival de la Haute-Durance.

Ces demières annèes, de nombreuses mesures en région polaire ont montré que les concentrations de certains gaz traces réactifs (aldéhydes, oxydes d'azote) étaient très supérieures à ce que la chimie en phase gazeuse pouvait expliquer. Les hypothèses actuellement retenues pour expliquer ces observations comprennent l'émission de composés dissous ou adsorbés dans la neige, et leur production photochimique dans le manteau neigeux, à partir de composés à identifier. Afin de tenter d'expliquer les rapports de mélange du formaldéhyde (HCHO) et de l'acétaldéhyde (CH3CHO) dans l'arctique, des mesures simultanées ont été effectuées dans l'atmosphère et dans la neige, au cours de la campagne ALERT 2000, à Alert (Ellesmere Island, 82,5° N, 62,3° W) en février et avril 2000. Le développement préalable d'une méthode d'analyse sensible de ces composés dans la neige a été nécessaire. Les évolutions temporelles des concentrations en formaldéhyde (HCHO) et en acétaldéhyde (CH3CHO) dans les couches de neige fraîches ont été suivies pendant plusieurs jours. Comme le métamorphisme de la neige conduit à des cycles de sublimation/condensation à la fois de la glace et des espèces dissoutes, nous avons également suivi l'évolution de la microphysique de la neige. Les résultats obtenus nous ont permis de tester différents mécanismes possibles d'incorporation des aldéhydes dans la neige. Connaître le mécanisme prédominant est nécessaire pour quantifier la vitesse d'échange air-neige de ces composés. Les mécanismes possibles incluent l'adsorption à la surface des cristaux de neige, et la dissolution dans leur volume. Les données obtenues ont permis de tester ces différents mécanismes, et d'apporter des éléments nouveaux sur les processus par lesquels le manteau neigeux pouvait avoir un impact important sur la chimie de l'atmosphère. Nous avons notamment émis l'hypothèse que le formaldéhyde était incorporé en volume dans les cristaux de neige et que les échanges avec l'atmosphère se faisaient par diffusion en phase solide. La vérification de ces résultats nécessitait cependant une confirmation par des expériences en laboratoire. Nous avons donc effectué une étude préliminaire de la solution solide HCHOH20 et nous avons obtenu le coefficient de diffusion du formaldéhyde dans la glace (DHCHO) à -15°C : DHCHO = (8±5j x10*11 cm2 s-1 . Cette valeur de DHCHO permet d'expliquer les variations des concentrations en formaldéhyde dans la neige que nous avons observé sur le terrain.

La réflectance de la neige est un paramètre climatique important qui suscite l'intérêt de plusieurs disciplines telles que la glaciologie, la climatologie, la météorologie, la prévision des risques d'avalanches. Le but de cette thèse est l'étude théorique et expérimentale de la réflectance de la neige sur la partie visible et proche infrarouge du spectre solaire. Une grande partie de ce travail de recherche a été consacrée à la modélisation des propriétés optiques de la neige en fonction de ses caractéristiques physiques (taille et forme des cristaux) et de sa pollution par le carbone suie. Le modèle développé fait appel a la théorie du transfert radiatif à l'aide de la méthode adding-doubling et fournit la polarisation du rayonnement réfléchi. Les limites de la théorie (forme des cristaux de neige dans le proche infrarouge) ont été mises en évidence lors de confrontations avec des mesures effectuées en laboratoire et sur le terrain. Cette étude s'inscrit aussi dans le cadre de la télédétection satellitaire et a pour but l'analyse des futures données du polarimètre-imageur P.O.L.D.E.R. (polarization and directionality of earth's reflectance) au dessus de l'Antarctique. Pour cela, un modèle prenant en compte la B.R.D.F. (bidirectional reflectance diffusion function) et les rugosités de surface (sastrugi) a été mis au point. Des mesures terrain de B.R.D.F. au pôle Sud nous ont été fournies et les résultats de comparaison avec le modèle sont prometteurs

La calotte polaire antarctique est constituée d'une épaisse couche de glace surmontée d'un névé d'une centaine de mètres d'épaisseur. Si les observations satellites, avec une couverture quasi-globale du continent, ont permis depuis bientôt 40 ans de fournir de nombreuses informations sur sa topographie et quelques propriétés de sa surface, la connaissance de son manteau neigeux est encore très limitée. Les précipitations qui se déposent sont balayées par les vents, s'accumulent pour former des couches. En s'enfouissant, les grains de neige qui les constituent subissent un métamorphisme qui modifie leur taille et leurs caractéristiques. Pourtant, Les taux d'accumulations ou les tailles des grains de neige, dont la signature est contenue dans les observations de la proche surface, sont des indicateurs climatiques clés, jusqu'alors mal connus. <br /><br />Depuis 2002 et le lancement de ENVISAT, on dispose d'un altimètre radar qui couvre 80 \% de la calotte polaire Antarctique, dont la particularité est d'acquérir des signaux à deux fréquences différentes (bande S à 3.2 GHz et bande Ku à 13.6 GHz). Ces deux ondes pénètrent dans le manteau neigeux sur plusieurs mètres et ont des sensibilités aux propriétés de la neige différentes. Ainsi, l'idée de cette thèse est d'utiliser cette double information pour retrouver les propriétés du manteau neigeux.<br /><br />On se propose de résoudre cette problématique par une analyse et une modélisation des signaux altimétriques bi-fréquences sur la calotte polaire, puis par leur inversion. On se penche tout d'abord sur quelques études de cas pour estimer la sensibilité des signaux aux différentes propriétés de la neige: i/ On montre tout d'abord que le signal altimétrique est sensible à la rugosité de la surface à différentes échelles, puis ii/ que le signal altimétrique est sujet à des variations saisonnières causées par la densification de la neige en surface, et enfin iii/ que les ondes radars sont réfléchies par des strates en profondeur. <br /><br />Un modèle de l'interaction de l'onde avec le manteau neigeux est réalisé simultanément aux deux fréquences, afin de permettre une comparaison de ces signaux entre eux. Les résultats du modèle sont utilisés pour expliquer les variations saisonnières précédemment observées. Finalement, les paramètres du manteau neigeux sont estimés à l'échelle de la calotte polaire antarctique. Les tailles de grains retrouvées présentent un grossissement vers l'intérieur du continent. La densité montre des variations saisonnières de plusieurs g.cm3 notamment sur les côtes antarctiques. Certaines régions présentent un état de surface de la neige particulièrement lisse (Dronning Maud Land, par exemple). <br /><br />La donnée in situ de l'état de surface de la neige étant quasi inexistante sur les calottes polaires, on développe finalement un protocole de mesure de la rugosité de la neige, qui est testé sur un glacier du Spitzberg.

En zone de montagne, et particulièrement dans les Alpes du Nord, l'amélioration des modèles de prévision de crues est un enjeu scientifique et opérationnel important, du fait notamment des changements climatiques et environnementaux qui modifient le fonctionnement des systèmes hydrologiques. Les apports liés à la fonte nivale constituent une difficulté spécifique à la modélisation hydrologique dans les Alpes. Cette thèse entend contribuer à améliorer les modèles dans ce domaine, à deux niveaux. Dans un premier temps un modèle de fonte de neige performant à l'échelle ponctuelle a été explicité, utilisant un minimum de variables météorologiques. Pour cela l'approche dite " degré jour ", qui permet d'estimer en fonction de la température de l'air la lame d'eau déstockée par le manteau neigeux, a été reprise. Grâce aux données acquises par le Centre d'Etude de la Neige sur le site expérimental du Col de Porte (Chartreuse), plusieurs formulations ont été testées prenant notamment en compte le stock de froid du manteau neigeux et les effets liés au cycle saisonnier, à travers un coefficient de fonte explicité à l'aide d'une sinusoïde. Dans un deuxième temps, l'accent est mis sur la régionalisation de la donnée d'entrée fondamentale pour ce modèle degré jour : la température de l'air. La spatialisation des champs de température a été étudiée à l'aide d'outils géostatistiques, en se focalisant sur une meilleure compréhension des gradients altimétriques de température. L'objectif est de mieux cartographier les températures au pas de temps infra journalier et de déterminer un modèle d'interpolation pertinent et simple. Les perspectives sur l'utilisation des résultats obtenus dans ces deux phases de modélisation sont abordées en vue d'une utilisation future des modèles degré jour sur des bassins versants de montagne.

Memoire (M.A.)-- Universite du Quebec a Chicoutimi, 1993. / Ce travail de recherche a été réalisé à l'UQAC dans le cadre du programme de maîtrise en arts plastiques extensionné de l'UQAM à l'UQAC. CaQCU Document électronique également accessible en format PDF. CaQCU