L'objectif principal de ce travail était de mettre en évidence l'influence de la bioturbation induite par le macrobenthos sur la dénitrification dans un sédiment marin soumis à un apport ponctuel massif de matière organique (hydrocarbures). Deux types d'expérimentations complémentaires ont été réalisées: - In vitro, pour étudier les effets d'une population de Polychètes galéricoles Nereis diversicolor, - In situ (golfe de Fos) afin de mettre en évidence l'influence de la macrofaune autochtone plurispécifique dans les conditions naturelles. Ces deux types d'études ont permis de démontrer le fort impact de la macrofaune sur la dénitrification dans les sédiments, la bioturbation ayant une incidence sur: - le nitrate, dont l'approvisionnement pour la dénitrification est facilité lors du remaniement sédimentaire, - la présence d'oxygène, qui à la fois stimule la nitrification pourvoyeuse de nitrate et inhibe la dénitrification, - la matière organique, dont l'influence est variable en fonction des quantités mises en contact avec la microflore dénitrifiante, - la création de micro-niches augmentant la proximité et les échanges entre nitrification et dénitrification

La version actuelle du modèle de surface continentale ISBA représente la couche de sol superficiel et la végétation comme un composite dont les propriétés physiques résultent de pondérations entre les propriétés du sol et de la végétation (albédo, rugosité par exemple). Une nouvelle version, ISBA-MEB (Multi-Energy-Balance), représente le sol et la végétation au travers de deux bilans séparés. Ce développement permet notamment une approche plus réaliste de la modélisation des flux au-dessus, dans et sous de la canopée avec un traitement propre à chacune des couches et la prise en compte de nouveaux processus (effet d'ombrage de la canopée sur le sol, transfert radiatif à travers la végétation, interception de la neige par la canopée). Le sol superficiel est lui désormais caractérisé, pour les surfaces forestières, par une couche de litière agissant sur le cycle énergétique comme sur le cycle hydrologique. Pour évaluer l'impact de ces nouveaux développements sur les forêts, quatre sites Français instrumentés sont dans un premier temps utilisés. Le large panel de données disponible permet une évaluation précise permettant de mettre en évidence certaines améliorations apportées par les développements, En particulier sur le bilan d'énergie en réduisant l'amplitude du flux de chaleur par conduction dans le sol et en réinjectant tout ou partie de cette énergie dans le flux sensible, mais aussi sur le bilan d'eau en améliorant le partitionnement de l'évapotranspiration en ses différentes composantes. Ensuite, leréseau Fluxnet, standard international, se révèle être outil idéal confirmer ces améliorations. Celui ci contient en effet des données relatives à des sites instrumentés correspondant à un large panel de climats et de types de végétation indispensable à la validation d'un modèle destiné à des simulations à échelle globale. 42 sites forestiers sont retenus pour procéder à l'évaluation des nouveaux développements sur la base d'un critère de fermeture du bilan énergétique. Lesrésultats de cette étude permettent non seulement de confirmer à grande échelle les résultats de la partie précédente mais aussi de caractériser des améliorations plus marquées sur les forêts de conifères ainsi que les sites enneigés. Enfin, l'impact sur le bilan hydrologique d'ISBA-MEB est évalué par l'utilisation de la chaîne opérationnelle hydrométéorologique SIM (SAFRAN-ISBAMODCOU).Cette chaîne permet de modéliser le débit des rivières françaises sur une longue période (jusqu'à un demi siècle) et par extension d'obtenir une estimation de la climatologie spatiallement distribuée de l'évapotranspiration. L'impact des développements, et nottament laprise en compte de la litière dans le modèle, modifient l'amplitude annuelle moyenne de l'évaporation du sol et impacte ainsi la modélisation des débits des rvières simulée. D'autre part, une augmentation significative de la sublimation de la neige est à l'origine dans les bassins de montagne d'une réduction du ruisselement total mais ceux-ci ne représente qu'une faible fraction du domaine d'étude.

Les brouillards sont des systèmes météorologiques complexes mettant en oeuvre des processus de fine échelle, et l'interaction subtile entre processus radiatifs, dynamiques, turbulents et microphysiques qui les régit rend leur prévision difficile. Les gouttelettes d'eau qui composent les brouillards sont formées par l'activation des particules d'aérosols, et comprendre l'impact des propriétés des aérosols sur le cycle de vie du brouillard reste un défi. L'objectif de cette thèse est d'analyser l'impact du processus d'activation sur la microphysique des brouillards et sur leur cycle de vie. Elle s'articule sur deux volets, expérimental et numérique. Dans le cadre du projet PréViBoss, une plateforme de mesures in-situ des propriétés du brouillard a été déployée durant les hivers 2010-2013 au SIRTA au sud de Paris. Les données microphysiques ont fourni la distribution dimensionnelle des particules d'aérosols et des gouttelettes, et ont informé sur la capacité des particules d'aérosols à agir en tant que noyaux de condensation nuageux (CCN). Elles sont analysées afin de documenter les propriétés du brouillard et leur évolution au cours de leur cycle de vie. La particularité de ce travail réside dans le grand nombre d'épisodes de brouillard analysés. Ainsi, 48 épisodes ont permis d'étudier l'évolution microphysique des brouillards et 23 épisodes ont permis d'étudier le processus d'activation à la formation des brouillards à travers une méthode originale. Les valeurs de sursaturation critique et les concentrations de CCN ont été caractérisées et reliées aux propriétés des aérosols (distribution, concentration et hygroscopicité). Il s'avère que c'est la valeur de la sursaturation détermine la concentration de gouttelettes, indépendamment de la concentration de particules d'aérosols activables disponibles. L'évolution microphysique des 48 épisodes de brouillards suit 4 phases aux comportements distincts, et est principalement régie par les processus de condensation/évaporation et activation/dé-activation. La concentration caractéristique en gouttelettes des brouillards est déterminée durant la première phase, elle est ensuite modulée au cours du cycle de vie du brouillard. Des simulation en mode LES d'un cas de brouillard observé lors de PréViBoss ont ensuite été réalisées avec le modèle Méso-NH, afin d'évaluer l'impact de la microphysique sur la durée de vie du brouillard. Elles permettent d'explorer précisément les interactions entre aérosols et processus physiques. Un schéma microphysique à deux moments a été utilisé au sein duquel deux schémas d'activation ont été comparés: le premier diagnostique une sursaturation maximale, alors que le second considère une évolution pseudo-pronostique de la sursaturation selon Thouron et al. (2012). Contrairement au premier, le second schéma calcule les valeurs de sursaturations réellement atteintes. Il permet de tenir compte de processus supplémentaires non considérés par le schéma actuel comme la condensation ou le mélange. Les concentrations de CCN calculées avec ce nouveau schéma sont significativement moins élevées, mais restent toutefois surestimées par rapport aux observations. La représentation de la dynamique pourrait en être responsable. Des tests de sensibilité à la concentration d'aérosols montrent un impact limité sur le cycle de vie du brouillard, excepté pour des cas extrêmes, pour lesquels une très faible concentration d'aérosols retarde la dissipation du brouillard. Ce sont les conditions dynamiques, thermodynamiques et de surface qui pilotent principalement le cycle de vie du brouillard à travers leur impact sur la stabilité de la couche limite. En outre, la prise en compte d'hétérogénéités de surface modifie très sensiblement le cycle de vie du brouillard au travers de la turbulence qu'elles génèrent. La variabilité spatio-temporelle qui en découle doit ainsi être prise en compte dans de futurs dispositifs expérimentaux.

D'un point de vue climatique la région méditerranéenne est propice aux évènements pluvio-orageux intenses, particulièrement en automne. Ces pluies s'abattent sur des bassins versants escarpés. La promptitude des crues ne laisse qu’un temps très court pour la prévision. L'amplitude de ces crues dépend de la grande variabilité des pluies et des caractéristiques des bassins versants. Les réseaux d'observations ne sont habituellement pas adaptés à ces petites échelles spatiales et l'intensité des événements affecte souvent la fiabilité des données quand elles existent d'où l'existence de bassin non jaugés. La régionalisation en hydrologie s'attache à la détermination de variables hydrologiques aux endroits où ces données manquent. L'objectif de cette thèse est de contribuer à poser les bases d’une méthodologie adaptée à la transposition des paramètres d'un modèle hydrologique distribué dédié aux crues rapides de bassins versants bien instrumentés à des bassins versants non jaugés, et ce sur une large zone d’étude. L'outil utilisé est le modèle hydrologique distribué MARINE [Roux et al., 2011] dont l'une des originalités est de disposer d'un modèle adjoint permettant de mener à bien des calibrations et des analyses de sensibilité spatio-temporelles qui servent à améliorer la compréhension des mécanismes de crue et à l'assimilation de données en temps réel pour la prévision. L'étude des sensibilités du modèle MARINE aborde la compréhension des processus physiques. Une large gamme de comportements hydrologiques est explorée. On met en avant quelques types de comportements des bassins versants pour la région d'étude [Garambois et al., 2012a]. Une sélection des évènements de calibration et une technique de calibration multi évènements aident à l'extraction d'un jeu de paramètres par bassin versant. Ces paramétrisations sont testées sur des évènements de validation. Une méthode de décomposition de la variance des résultats conduit aux sensibilités temporelles du modèle à ses paramètres. Cela permet de mieux appréhender la dynamique des processus physiques rapides en jeu lors de ces crues [Garambois et al., 2012c]. Les paramétrisations retenues sont transférées à l'aide de similarités hydrologiques sur des bassins versants non jaugés, à des fins de prévision opérationnelle.

Le but de ce projet est d'améliorer la représentation numérique des processus turbulents de couche limite stable (CLS) sur l'océan Arctique dans le modèle Global Environnemental Multi-échelles (GEM). L'expérience numérique réalisée consiste à simuler le climat observé durant la campagne SHEBA d'un an sur un petit domaine régional à haute résolution (110 x 120 @ 0,5 degré) centré sur la mer de Beaufort. Dans la simulation de contrôle effectuée avec la version non modifiée de GEM, le modèle surestime systématiquement le vent de surface Ūr, la vitesse de friction u* et le flux de chaleur latente (HL) qui est 6 fois trop intense l'été en comparaison des valeurs observées au point SHEBA. De plus, le modèle n'arrive pas à simuler les vents faibles observés (Ūr < 1,6 m/s) et manifeste un biais sec persistant dans la CLS durant toute l'année. En comparant la fonction de stabilité utilisée dans GEM øGEM avec les observations de la campagne SHEBA, on remarque que ce paramétrage mène à une surestimation du mélange turbulent en stratification très stable (RiB > 10¯²) qui pourrait expliquer une partie des erreurs du modèle. L'implémentation d'une fonction de stabilité dérivée à partir des observations de SHEBA øSHEBA dans la simulation de sensibilité A a permis d'améliorer Ūr et u* dans le modèle GEM. La longueur de rugosité de la glace de mer utilisée dans le modèle GEM zo,GEM = 0,16 mm aussi ne correspond pas aux observations de la campagne SHEBA. En fait, l'unique paramètre zo,GEM utilisé par GEM est trop faible pour le transfert de quantité de mouvement et trop grande pour le transfert de chaleur et d'humidité. L'implémentation des longueurs de rugosité observées à SHEBA (zom,SHEBA et zoh,SHEBA) dans la simulation de sensibilité B a amélioré Ūr simulé. Le vent minimal Ūmin = 2,5 m/s est un autre paramètre utilisé par GEM qui est susceptible d'être inadéquat pour simuler la CLS. Ce paramètre est utilisé pour éviter une division par zéro par vent faible lors du calcul du nombre de Richardson RiB. En utilisant une valeur plus réaliste de Ūmin = 1,0 m/s dans la simulation de sensibilité C, on arrive à simuler les vents faibles (Ūr < 1,6 m/s) qui n'étaient pas simulés par la version originale du modèle GEM. Dans la simulation D, l'implémentation d'une nouvelle équation diagnostique basée sur l'équation de Clausius-Clapeyron pour qr a éliminé complètement le biais sec dans le modèle. Indirectement, la correction à qr a ramené le HL simulé très près des valeurs observées en réduisant le gradient vertical qr -qs responsable de l'évaporation à la surface. Tous les modèles régionaux participant au projet ARCMIP avaient des défauts semblables (biais sec, HL surestimé et u* trop intense) à ceux du modèle GEM pour une expérience très similaire. Il est donc très probable que l'implémentation des mêmes modifications dans ces modèles soit aussi bénéfique. Il est aussi probable qu'en implémentant ces paramétrages dans les modèles participant au Coupled Model Intercomparison Project (CMIP) ait un effet bénéfique sur l'océan Arctique. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Modélisation du climat arctique, Couche limite atmosphérique, Interaction atmosphère-glace- océan, Paramétrisation physique.

Une portion importante du cycle du carbone se situe au niveau des échanges gazeux entre l'eau et l'atmosphère. L'importance de ces flux est accentuée par l'enjeu des changements climatiques et de la gestion des gaz à effet de serre. Il reste cependant plusieurs aspects de ce processus qui sont mal compris et plusieurs biais persistent dans la méthodologie. Dans le but d'améliorer les techniques d'échantillonnage, la possibilité d'utiliser la turbulence pour prédire la vitesse d'échange gazeux (k) a été explorée et l'hypothèse que la chambre flottante engendre de la turbulence artificielle a aussi été testée. De plus, dans le but d'unifier les diverses relations entre le vent et k, plusieurs variables facilement mesurables combinées à la vitesse du vent ont été testés. Les données de cette étude ont été échantillonnées d'une part dans le réservoir hydroélectrique d'Eastmain-1 et d'autres parts dans 11 lacs en Estrie, Québec. La vitesse d'échange gazeux à été mesuré in situ à l'aide d'une chambre flottante. Plusieurs variables météorologiques dont la turbulence de l'eau ainsi que quelques variables limnologiques ont aussi été mesurés. Un modèle robuste a été élaboré en utilisant la turbulence de l'eau à l'intérieur de la surface d'échantillonnage de la chambre pour expliquer k. Il a aussi été démontré la chambre flottante surestime k et cela est due à la turbulence à l'intérieur de la surface d'échantillonnage créée par celle-ci. Le rapport de surestimation peut atteinte dix fois la valeur réelle et ensuite diminue plus la turbulence naturelle du système augmente. Finalement, il a été montré que l'ajout de l'aire du système aux vitesses de vents dans une régression multiple améliore grandement la prédiction de k dans une variété de systèmes aquatiques différents. En apportant de meilleurs outils de mesure et d'estimation des vitesses d'échanges gazeux, cette étude permettra d'améliorer la précision des estimations des émissions de gaz à effet de serre provenant des milieux aquatiques terrestres. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : échanges gazeux, dioxyde de carbone, interface air-eau, turbulence, chambre flottante

L'objectif de la thèse consiste à mettre en place un système couplé océan-glace de mer pour simuler le climat dans les hautes latitudes

La Mousson Indienne d'été (ISM) et l'Oscillation Australe El Niño (ENSO) sont parmi les phénomènes climatiques les plus énergétiques et importants de la planète. Bien qu'ils soient localisés dans la région tropicale Indo-Pacifique, ces deux phénomènes peuvent avoir des répercussions climatiques à l'échelle globale via les téléconnections atmosphériques. Cette thèse vise à améliorer notre compréhension et la prévisibilité interannuelle d'ENSO et de l'ISM, en analysant leurs téléconnections grandes échelles, et en déterminant le rôle, dans cette prévisibilité, des modes majeurs de variabilité interannuelle observés dans les régions tropicales et extratropicales de l'Indo-Pacifique. A partir de diagnostiques statistiques d'observations sur les périodes 1950-1976 et 1979 2007, et d'expériences de sensibilité réalisées à l'aide du modèle couplé SINTEX F, nous montrons l'importance des latitudes tempérées dans la prévisibilité du système ENSO-mousson. Des précurseurs robustes des évènements ENSO et ISM sont identifiés dans les régions du Pacific Nord et de l'Océan Indien Sud pendant l'hiver boréal précédent, apportant ainsi de la prévisibilité plus tôt que leurs traditionnels précurseurs tropicaux. De plus, cette prévisibilité de la mousson d'été est accrue pour les pluies en fin de saison (Août- Septembre). Cette deuxième partie de la saison de mousson se caractérise également par l'émergence de processus couplés océan-atmosphère dans l'Océan Indien, pouvant contrecarrer l'effet d'ENSO sur la mousson. Une amplification de ces rétroactions locales pourrait expliquer l'affaiblissement de la relation ENSO-mousson observé lors des dernières décennies.

Le travail présenté porte sur l'étude des échanges d'énergie et de matière, au travers du bilan thermique net à la surface océanique, dans une région de l'océan Atlantique nord. Le flux ondes courtes, terme prépondérant de ce bilan, est déterminé grâce à la méthode Heliosat adaptée aux données de basse résolution spatiale du satellite METEOSAT-4. A méso-échelle, sur une base horaire, nous mettons en relief la grande variabilité du flux solaire à la surface. Les résultats de comparaison avec des mesures in situ sur notre zone d'étude sont satisfaisants. Nous estimons les performances de huit formulations semi-empiriques usuelles sur la restitution du flux ondes longues net en utilisant des moyennes mensuelles climatologiques ou des mesures in situ des paramètres surfaciques. Nous testons ensuite une méthode développée pour l'utilisation de données satellitaires. Mais la validation de ce modèle sur notre zone d'étude s'avère plus mauvaise que l'utilisation de simples relations semi-empiriques. Nous évaluons qualitativement et quantitativement l'impact de l'ennuagement sur les flux radiatifs en réalisant une classification des types de ciels selon la nébulosité totale. Nous réalisons ensuite des moyennes climatologiques des flux de surface étudiés afin d'en déduire le bilan thermique net sur notre zone d'étude et nous analysons ses variations zonales pour les mois de septembre et d'octobre. Dans une dernière partie, nous nous focalisons sur l'observation in situ de trois situations météorologiques particulières afin d'estimer l'impact de la variabilité spatio-temporelle pour la restitution de ce bilan. Des variations significatives des flux estimés sont mises en évidence en fonction d'échelles de temps variable ainsi qu'en fonction des méthodes de sous-échantillonnage spatial utilisées pour la construction des images satellitaires.

Les aspérités géométriques d'un plan de faille contrôlent en partie toutes les étapes de la rupture sismique, depuis sa nucléation jusqu'à l'arrêt du séisme. L'objectif de ce travail est de caractériser la morphologie des surfaces de faille sur la large gamme d'échelles spatiales impliquées dans les tremblements de terre, puis d'explorer son influence sur l'organisation spatiale du glissement et des contraintes. L'approche utilisée inclue des observations de terrain couplées à une étude numérique et théorique. La combinaison de méthodes récentes de mesures topographiques (LiDAR, rugosimètre laser, interféromètre à lumière blanche), qui couvrent des gammes d'échelles spatiales complémentaires, permet de proposer un modèle géométrique cohérent de cinq zones de failles étudiées (Alpes françaises, Apennins, Turquie, Californie, Nevada). La rugosité des surfaces de failles montre des propriétés de dépendance d'échelle, et plus précisément suit un régime auto-affine anisotrope (l'exposant de rugosité est Hpara = 0.6 dans la direction du glissement et Hperp = 0.8 dans la direction perpendiculaire) depuis la centaine de micromètres jusqu'à plusieurs dizaines de mètres. En complément, l'analyse de la rugosité des ruptures de surface de huit tremblements de terre continentaux majeurs montre qu'un unique régime auto-affine anisotropique et sans longueur caractéristique est maintenu jusqu'à l'épaisseur de la croute sismogénique. Cette description de la géométrie des surfaces de failles et des traces de ruptures, est indépendante du contexte géologique. Plus particulièrement, cette étude met en avant que dès lors qu'un glissement cumulé métrique est atteint sur une faille, la complexité géométrique des portions actives des zones de failles est maintenue quel que soit le déplacement supplémentaire accommodé. Finalement, motivé par des observations de terrain, il est proposé que le processus dominant à l'origine de la rugosité des surfaces de failles puisse être l'interaction mécanique et la coalescence de segments multi-échelles. Deux conséquences émergent de cet état de rugosité. Les distributions spatiales du champ de glissement d'une part et du champ des contraintes lors d'un tremblement de terre d'autre part peuvent être expliquées par la présence de deux interfaces rugueuses auto-affines pressées élastiquement et cisaillées. Notamment, en utilisant un modèle numérique de propagation d'une rupture sur une interface hétérogène, la corrélation entre la rugosité 3-D des failles et la distribution spatiale 2-D du glissement dans le plan est clarifiée. Il est proposé que les hétérogénéités spatiales du glissement visibles sur les modèles cinématiques de rupture sismique soient préférentiellement dominées par les complexités géométriques locales plutôt que par la dynamique du front de rupture lui-même. Par ailleurs, les propriétés auto-affines des lèvres de la faille impliquent que les fluctuations spatiales de la chute de contrainte lors d'un séisme augmentent vers les courtes longueurs d'ondes ; ce qui est confirmé par des observations sismologiques. En considérant un modèle de rupture en cascade, il est alors probable que les failles sont fortement inhomogènes, avec des grands tremblements de terre composés d'une somme de petites aspérités multi-échelles qui subissent de fortes chutes de contrainte. Cette étude met en lumière l'importance des hétérogénéités locales en contrainte et en glissement dans la mécanique des tremblements de terre, et propose de les relier à des propriétés morphologiques self-affines de la surface de faille.