Ce travail de thèse vise à déterminer si le couplage de l'atmosphère avec la surface marine joue un rôle dans la variabilité intrasaisonnière estivale de la circulation atmosphérique de grande échelle et si la surface marine peut être une source de prévisibilité potentielle pour l'atmosphère à ces échelles de temps. Un second objectif consiste en l'analyse de l'impact de la représentation des processus physiques dans l'océan superficiel, et en particulier l'impact des variations diurnes océaniques, sur la représentation des températures de surface océanique et sur la circulation atmosphérique de grande échelle à des échelles de temps supérieures. Pour mener à bien ces travaux, le modèle océanique 1D CNRMOM1D a été développé : le choix des paramétrisations utilisées dans ce modèle vise à optimiser la représentation des processus physiques dominant l'évolution des températures de surface océanique aux échelles de temps diurnes à intrasaisonnières. Les résultats, obtenus à partir de simulations numériques effectuées avec le modèle d'atmosphère ARPEGE-climat forcé ou couplé avec le modèle CNRMOM1D, suggèrent que les anomalies de températures de surface océanique induites par la circulation atmosphérique de grande échelle exercent sur celle-ci une rétroaction négative aux échelles de temps intrasaisonnières : le couplage avec la surface océanique dans la région Nord-Atlantique Europe (NAE) diminue le nombre de jours de persistance des régimes de temps estivaux de Dépression Atlantique, de Blocage et de NAO- d'environ 1 jour ce qui représente 15% de leur persistance moyenne, cette diminution étant variable selon le régime de temps. A partir de simulations forcées du modèle CNRMOM1D, on montre que la correction en SST liée à la prise en compte des variations diurnes océaniques peut atteindre environ 0.3°C à 0.5°C en moyenne journalière. Cette anomalie peut persister 15 à 40 jours dans les moyennes latitudes, plus de 60 dans les Tropiques. De plus, à partir de simulations couplées avec le modèle ARPEGE-climat, on montre que la variabilité diurne océanique peut affecter l'état moyen estival par une diminution du gradient méridien de SST, une diminution de l'extension de la glace de mer, une anomalie de circulation atmosphérique de grande échelle qui se projette sur une phase positive de la NAO ainsi que des modifications de la couverture nuageuse et des profils d'humidité atmosphérique. Ce travail montre les améliorations potentielles, en termes d'états moyens océanique et atmosphérique et en termes de variabilité intrasaisonnière, que peuvent apporter un couplage à fréquence horaire et l'utilisation d'un modèle de circulation générale océanique à haute résolution verticale dans les simulations couplées océan-atmosphère.

Cette thèse apporte une meilleure compréhension des interactions océan-atmosphère au sein d'évènements extrêmes que sont les cyclones tropicaux. L'étude de la réponse océanique aux cyclones et de sa rétroaction a permis de souligner l'importance de la dynamique océanique et atmosphérique et tend à contredire les estimations extrêmes faites précédemment à partir de modèles théoriques simplifiés. L'impact des cyclones sur le climat est probablement surestimé dans les études qui négligent les processus d'advection et la ré-émergence d'anomalies océaniques en surface durant l'hiver. La rétroaction négative du refroidissement de surface induit par les cyclones est également surestimée dans les études théoriques en raison des fortes hypothèses faites sur les échelles de temps impliquées dans le processus d'intensification des cyclones. De même, la structure océanique à grande et moyenne échelle est souvent négligée (par exemple dans les indices de cyclogenèse), alors qu'elle module fortement les mécanismes de couplage. Enfin, l'utilisation de modèles à méso-échelle et de simulations à long terme produisant un grand nombre d'événements est essentielle afin de séparer un mécanisme robuste d'effets anecdotiques.

L'objectif de cette thèse est de mieux comprendre les variations temporelles des signaux altimétriques sur la calotte polaire Antarctique. Nous exploitons les observations effectuées par l'altimètre à bord d'ENVISAT entre janvier 2003 et décembre 2007. Ces observations s'étendent jusqu'à 82°Sud, ce qui permet de couvrir environ 80% du continent Antarctique. Pendant la période d'étude deux fréquences sont exploitables (Bande S, soit 3.2GHz, et Bande Ku soit 13.6GHz), ce qui permet de mieux cerner la sensibilité de la mesure aux variations d'état du manteau neigeux couvrant la calotte polaire Antarctique. L'état de la surface neigeuse en Antarctique varie dans l'espace comme dans le temps, en réponse aux événements météorologiques de proche surface, et tout particulièrement les vents. Selon l'état de la surface, l'onde électromagnétique émise par l'altimètre va pénétrer plus ou moins profondément dans le manteau neigeux, modifiant la forme de l'écho enregistré lorsque cette onde retourne au satellite. La précision des mesures de topographie de la calotte polaire dépend alors de la connaissance des propriétés de surface, ainsi que de la compréhension des mécanismes contrôlant l'interaction des ondes électromagnétiques avec la surface neigeuse. Nous étudions dans cette thèse comment la forme de l'écho altimétrique évolue lorsque les conditions de vent à la surface de la calotte polaire changent, et affectent l'état de la surface. Nous commençons par étudier la variabilité spatiale et temporelle des observations altimétriques d'une part, et des intensités de vent d'autre part (réanalyses des modèles atmosphériques globaux NCEP/NCAR, NCEP/DOE et ERA-Interim). Nous en identifions les échelles de variations spatiales et temporelles caractéristiques. Cela nous permet de concevoir les traitements à appliquer afin d'homogénéiser les différentes sources d'information. Nous constatons que les variations de nos séries temporelles décrivent essentiellement un signal annuel, toujours maximal en été austral pour les variations de vents. En revanche les variations annuelles de la forme d'onde ne sont pas homogènes à l'échelle de la calotte polaire, mais mettent en évidence deux régions principales. Nous utilisons ensuite les propriétés de la forme d'onde altimétrique, et leurs variations temporelles pour reconstruire les variations d'intensité de vents. Nous obtenons de très bonnes cohérences, ce qui atteste la sensibilité de la mesure altimétrique aux changements d'état de la surface induits par les variations de vent. Nous utilisons en dernier lieu un modèle régional (MAR/LGGE), qui prend en compte les interactions des vents avec l'état de la surface avec une résolution spatiale plus fine. Cela nous permet de confirmer les résultats déjà obtenus, et de mettre en valeur les spécificités du modèle MAR. Les méthodes mises en jeu sont empiriques et les résutats obtenus qualitatifs. Nous avons toutefois identifié deux régions majeures, réagissant différemment aux variations de vents, que nous expliquons par l'existence de structures de surface particulières, et un impact différent des vents sur l'état de la surface.

Les oxydes d'azote atmosphériques (NOx=NO+NO2) sont des composés clefs en chimie de l'environnement, jouant un rôle central pour la capacité oxydante de l'atmosphère et le cycle de l'azote. La composition isotopique du nitrate atmosphérique (NO?3 particulaire et HNO3 gazeux), constituant leur puits ultime, renseigne sur leur bilan chimique. Le rapport 15N/14N donne une indication de leurs sources, alors que l'anomalie isotopique en oxygène (?17O=d17O-0.52×d18O) révèle la nature de leurs mécanismes d'oxydation. Des études couplées de d15N et ?17O d'échantillons de nitrate atmosphérique collectés dans l'Arctique, en Antarctique et dans l'atmosphère marine au dessus de l'Océan Atlantique, où le bilan des NOx est souvent mal connu ont été effectuées. À ces fins, le défi que constitue la mesure simultanée des trois rapports isotopiques du nitrate (17O/16O, 18O/16O et 15N/14N) dans le même échantillon représentant moins d'une micromole a été relevé. La solution adoptée tire avantage des propriétés d'une bactérie dénitrifiante, utilisée pour convertir le nitrate en N2O, dont la composition isotopique totale a été mesurée en utilisant un système automatisé de chromatographie en phase gazeuse et spectrométrie de masse de rapport isotopique. Les principaux résultats obtenus via les isotopes de l'oxygène permettent l'identification claire de transitions saisonnières entre voies d'oxydation des NOx, y compris le rôle majeur des composés halogénés réactifs au printemps polaire en régions côtières. Les isotopes de l'azote ont quant à eux permis d'apporter de nouvelles contraintes sur le cycle de l'azote dans les régions polaires, grâce au fractionnement significatif induit par les phénomènes de remobilisation post-dépôt affectant le nitrate dans le manteau neigeux, et l'émission de NOx qui en découle

Cette thèse combine données et modélisation numérique pour étudier l'océan superficiel et la moyenne échelle océanique dans le cadre de leurs interactions avec l'atmosphère. Elle repose sur le jeu de données exceptionnel collecté au cours du programme POMME (Atlantique nord-est, 2000–2001), et dont sont issus en particulier des flux de surface très réalistes. Le modèle numérique est une version régionale et à haute résolution du modèle aux équations primitives OPA.<br />Les processus impliqués dans l'évolution de la température et de la salinité dans la couche de mélange, ainsi que dans le détraînement d'eau entre la couche de mélange et la pycnocline, sont examinés. Un des résultats importants est que le détraînement n'a pas lieu le long d'une hypothétique discontinuité de profondeur de couche de mélange hivernale, mais dans des structures de submésoéchelle. Sa valeur est estimée à un peu moins de 1 Sv en moyenne sur la zone. Afin de prolonger la durée de la simulation, une méthode originale d'assimilation de courant a été implémentée dans le modèle. Elle donne d'excellents résultats et ouvre des perspectives prometteuses pour l'océanographie opérationnelle.

Cette thèse analyse (i) la variabilité pluviométrique contemporaine en Nouvelle-Calédonie et ses téléconnexions avec les températures de surface océanique (TSO) du Pacifique tropical et (ii) l'impact des anomalies atmosphériques sur l'activité des incendies estimés par satellites. La Nouvelle-Calédonie figure aujourd'hui parmi les 34 " points chauds " de la biodiversité à l'échelle planétaire. A ce titre, l'un de nos objectifs est de construire un modèle permettant de prévoir l'intensité de la saison des feux entre septembre et décembre, qui correspond au maximum annuel. Le croisement de trois bases de données de feux détectés par satellites (MODIS, ATSR et LANDSAT) avec le réseau des stations météorologiques de Météo-France a montré qu'aucune anomalie thermique significative n'est détectée avant un feu, tandis que de forts déficits pluviométriques par rapport à la normale sont enregistrés jusqu'à trois mois avant le départ des feux. Ces déficits pluviométriques sont partiellement liés aux phases chaudes du phénomène El Niño Southern Oscillation (ENSO) et plus particulièrement à celles durant lesquelles les anomalies thermiques se situent à proximité de la ligne de changement de date équatoriale lors du printemps austral. Ces anomalies renforcent la circulation moyenne de Hadley (via le dégagement de chaleur latente dans la moyenne et haute troposphère) et la subsidence au niveau des latitudes néo-calédoniennes, tandis que les épisodes les plus intenses du siècle dernier (i.e. 1982-83 et 1997-98) dont les anomalies thermiques les plus importantes sont localisées dans le Pacifique oriental, sont associés à des conditions pluviométriques proches de la normale dans le Pacifique sud-ouest (SW). La téléconnexion entre les TSO du Pacifique central et les précipitations du Pacifique SW s'affaiblit à partir du mois de décembre au moment où l'ENSO atteint, paradoxalement, son intensité maximale. Cette modulation saisonnière est le produit d'une interaction entre (i) le cycle saisonnier des TSO brutes dans le Pacifique central, (ii) le cycle de vie des anomalies thermiques des épisodes chauds et (iii) l'intensité du gradient zonal des TSO le long de l'équateur. Par ailleurs, la convection profonde semble particulièrement sensible à la propagation vers l'est des anomalies de TSO faibles-à-modérées au niveau de la ligne de changement de date équatoriale (soit légèrement à l'ouest de la boîte Niño 3.4), modifiant significativement la position et l'intensité de la courroie de transmission des téléconnexions. Une analyse en ondelettes montre que les pluies néo-calédoniennes sont également sensibles à des modes de variations plus lents (> 8 ans) du Pacifique central entre septembre et novembre. La synchronisation entre la saisonnalité des feux et la prévisibilité saisonnière liée à l'ENSO permet d'estimer la surface brûlée totale en septembre-décembre à partir des états thermiques de l'océan Pacifique en juin-août, dont la polarité est clairement établie plusieurs mois à l'avance. La corrélation entre l'observation et la simulation du logarithme du total des surfaces brûlées en Nouvelle-Calédonie est de 0.87 sur la période 2000-2010 selon un modèle linéaire en validation croisée.

Dans les tropiques, la convection atmosphérique est fortement modulée à l'échelle intrasaisonnière (périodes de 20 à 90 jours). L'océan jouerait un rôle important dans l'activité atmosphérique à cette échelle. Les variations de Températures de Surface de l'Océan (TSO) perturberaient en effet les flux de surface et déstabiliseraient l'atmosphère pour déclencher un événement convectif organisé à grande échelle. La réponse dynamique associée permettrait alors l'entretien de la convection à l'échelle intrasaisonnière par augmentation des flux de chaleur à la surface. Ces perturbations de TSO sont principalement liées aux perturbations de la température de la couche de mélange et dépendent donc, comme l'énergie disponible pour l'entretien de la convection, de la profondeur de cette dernière. Les résultats d'observations, présentés ici, étayent cette conception thermodynamique de l'origine de la variabilité intrasaisonnière qui permet d'expliquer son lien climatologique avec le cycle saisonnier des moussons. L'impact des perturbations intrasaisonnières de la TSO sur l'organisation des événements convectifs est ensuite étudié au moyen de simulations effectuées avec le modèle de climat LMDZ. Une part importante de la variabilité intrasaisonnière de la TSO est de plus liée à la formation de Couches de Réchauffement Diurne comme le montre le diagnostic effectué à partir d'un algorithme simple forcé par les données ERA-40. La validation de cette démarche au moyen des mesures du réseau global de bouées SVP autorise l'inclusion de cet algorithme dans LMDZ. On vérifie enfin la capacité du modèle à reproduire des CRD réalistes avant de discuter leur effet sur la variabilité intrasaisonnière simulée.

Nous présentons un outil logiciel qui permet de simuler une mission spatiale dans son intégralité. Ceci constitue une approche nouvelle en télédétection. Les concepteurs de missions et les scientifiques peuvent ainsi mieux appréhender la complexité toujours croissante des futures missions. Ce simulateur permet, bien avant le lancement de la mission, de considérer l'ensemble dit système, qui comprend évidemment le capteur, mais aussi les caractéristiques de l'orbite de la plate-forme qui l'emportera, ainsi que les algorithmes de traitement des données qui seront effectués au sol. Ce simulateur apporte une aide précieuse dans le cadre du dimensionnement et de l'analyse d'une mission spatiale ; il permet de comprendre comment la performance de tout ou partie du système contribue à la performance globale de la mission. La mission spatiale simulée dans le cadre de cette thèse est la mission du capteur MERIS (Medium Resolution Imaging Spectrometer) de l'Agence Spatiale Européenne, dont l'objectif principal est la mesure de la couleur de l'eau. Nous utilisons le simulateur pour évaluer la dynamique du signal en entrée du capteur, pour calculer la résolution radiométrique nécessaire au capteur pour satisfaire les objectifs de la mission et pour étudier la sensibilité du signal à de petites variations en attitude de la plateforme. Nous étudions ensuite l'influence de la qualité de la modélisation de l'état de la surface océanique sur la qualité de la mesure de la couleur de l'eau. Nous montrons que les incertitudes, liées à une modélisation trop imprécise des effets de surface et à une méconnaissance de la vitesse du vent, induisent des erreurs sur le signal marin pouvant être supérieures à la précision attendue par la mission.

Le Soleil est la source d'énergie essentielle de notre planète, et la connaissance du rayonnement solaire devient nécessaire dans un nombre croissant de domaines, où les utilisateurs font face à un manque de données. Les mesures disponibles dans le réseau météorologique mondial fournissent des valeurs du rayonnement solaire reçu au sol ; cependant elles sont ponctuelles et dispersées. Il est alors nécessaire de recourir à des interpolations ou extrapolations, techniques d'autant moins précises que la distance à la station augmente. Dans ce contexte, nous proposons d'une part une méthode d'estimation du rayonnement solaire reçu au sol à partir d'images satellitales, et d'autre part des outils pour permettre à l'utilisateur d'accéder de manière plus efficace à l'information sur le rayonnement solaire par l'intermédiaire d'Internet. Parmi les méthodes existantes, la méthode Heliosat a été choisie au regard des critères de qualité, de robustesse, et d'exploitation, qualités qui doivent être renforcées dans l'objectif de créer une climatologie du rayonnement solaire. Nous proposons donc d'améliorer la méthode Heliosat en 1) introduisant une méthode automatique d'étalonnage, 2) utilisant un modèle ciel clair plus précis, 3) établissant une nouvelle relation entre les indices de ciel clair et d'ennuagement, 4) évaluant l'albédo des différentes surfaces à partir des images étalonnées. Forte de ces améliorations, la méthode " Heliosat-2 " constitue alors une base solide pour l'élaboration d'une base de données climatiques du rayonnement solaire, devant être disséminées au travers d'Internet.

Le rayonnement solaire a des impacts biologiques, physiologiques, climatiques, économiques, politiques, sociaux, culturels, métaphysiques, etc. L'étude du gisement solaire à l'échelle du globe terrestre nécessite notamment l'utilisation des moyens de la télédétection spatiale. Pour évaluer et quantifier les effets du soleil (vus de l'espace), il est nécessaire de concevoir des traitements d'images satellitaires des plus complexes aux plus astucieux. Dans cette thèse, nous analysons les étapes du traitement d'images visibles de Météosat utilisé dans l'évaluation du gisement solaire. Initialement, nous présentons les résultats de la cartographie du rayonnement solaire global journalier en Afrique de l'Ouest. Ces résultats sont obtenus au moyen d'une méthode opérationnelle développée au Centre de Télédétection et d'Analyse des Milieux Naturels (CTAMN) de l'Ecole des Mines de Paris : la méthode HELIOSAT. Ces résultats, confrontés aux mesures effectuées au sol, nous ont permis de valider cette méthode et d'avoir confiance dans son avenir opérationnel. Mais des améliorations sont nécessaires. Aussi, par la suite, on étudie certains modèles atmosphériques qui permettent de corriger les influences de l'atmosphère et de la position relative du soleil, pour obtenir des images de réflectance relative (albédo relatif). On a déterminé un moyen d'obtenir une image de réflectance des sols s'appuyant sur une image composite sans nuage ni ombre. Pour évaluer le gisement solaire par la méthode que nous avons développée, il faut estimer l'ennuagement présent en chaque point d'image. Dans cette étape, un indice d'ennuagement sensible à la transparence des nuages est déterminé.