L'ONERA mène, depuis quelques années, des études sur les radars hautes fréquences à ondes de surface (RHFOS). Afin d'évaluer la capacité effective de surveillance maritime de ce type de radar, l'ONERA envisage de se doter d'un système de mesure. Le RHFOS, grâce à sa capacité de détection au-delà de l'horizon radioélectrique, répond à la demande de couverture de larges zones maritimes. Classiquement, sa portée peut atteindre 500 km à 600 km, sous des azimuts de 90 à 120 degrés. Toutefois, le signal reçu par le radar contient la signature des cibles, le fouillis de mer (signal caractéristique de la propagation sur la surface de la mer) et le fouillis ionosphérique (signal rétrodiffusé par les instabilités d'ionisation dans l'ionosphère). Ces deux dernières contributions peuvent masquer des cibles car leur niveau est très important. Les présents travaux consistent à définir les traitements permettant de réduire le fouillis ionosphérique pour améliorer les performances de détection du radar HF à ondes de surface. La nature des signaux en présence et le système radar développé par l'ONERA ne permettent pas un traitement par polarimétrie, direction d'arrivée ou techniques adaptatives. Nous proposons d'exploiter les différences d'échelles de variations des signaux. Pour cela, nous avons développé des méthodes de séparation des contributions (cible, fouillis de mer et fouillis ionosphérique) ; nous utilisons l'analyse discrète en ondelettes, à une ou deux dimensions. L'avantage d'une telle approche est qu'elle permet de supprimer le fouillis ionosphérique, d'extraire le fouillis de mer (amélioration du calcul de paramètres océanographiques et amélioration de la détection de cibles) et de réduire le bruit inhérent au système radar.

The mangrove forest is an ecosystem distributed worldwide along tropical andsubtropical coastlines. The environmental conditions are known to affect species distributionpatterns, and to understand them is one of the main goals of biogeography. The association ofenvironmental factors (e.g. temperature and precipitation) and species distribution patterns haschallenged scientists since long. Species are distributed in a geographical space, however, whyspecies are present in a certain location but absent in another is a fundamental question inbiogeography. This PhD thesis aims at better understanding the most intriguing issues relatedto the role of environmental factors associated with mangrove distribution range limits andspecies richness from regional (Brazilian mangroves) to global scales.For the Brazilian mangroves, two scales were used to comprehend the spatial ecological nicheof mangrove tree species. First, the entire Brazilian mangrove-lined coast was considered, andseveral environmental variables were used to explain what is driving mangrove tree speciesdistribution. Second, a detailed analysis of daily Sea Surface Temperature (SST) data for theBrazilian mangrove forest at the southernmost mangrove range limit was done, and comparedwith a site beyond the range limit. The chilling events of SST data, also considering oceancurrents, show that Laguncularia racemosa is probably bounded by the southernmost Brazilianmangrove limit because of a dispersal constraint rather than by the frequency of chillingevents. However, the abundance of L. racemosa in Laguna at the Southern mangrove rangelimit, compared with only a few individuals of A. schaueriana, is probably associated with thechilling events of SST constituting a constraint to the latter species. This proves that mangroverange limits are not explained by a single causeThis PhD thesis also has the objective to evaluate the influence of upwelling intensity onthe distribution worldwide, which is its approach at a global scale. The sea surface temperature(SST) had been identified as one of the key drivers of global mangrove distribution, given thecoincidence of isotherms with mangrove global limits. However, other factors play a role in thevariability of SST. Cold waters from deep ocean layers rise to the surface (upwelling systems),which reduces SST values and can trigger aridity. Although previous research has confirmedthat mangrove distribution is driven by a variety of factors, this PhD thesis additionallydemonstrates a significant influence of upwelling intensity, and hence provides elements for abetter understanding of the factors driving mangrove expansion/retraction at a global scale. Inaddition, this work emphasizes climate and oceanographic processes influencing mangroverange limits. While contributing to a better understanding of some of the most intriguingquestions on the macroecology of mangrove, this PhD thesis also raises new questions thatshould be studied by future research. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Ce travail constitue une étude préliminaire au développement d’un nouvel outil d’observation de la thermocline saisonnière de la Mer d’Iroise, la sismique réflexion. Une application inédite de cette technique à l’imagerie de structures océanographiques très peu profondes (z < 50 m) est réalisée. Dans un premier temps des règles de construction d’un dispositif sismique dédié à l’observation de telles cibles ont été définies à partir d’une réflexion théorique sur la mesure de sismique. Une évaluation de systèmes existants a ensuite été réalisée au travers de l’étude de 4 profils sismiques des campagnes GO, Carambar et Sigolo retraités spécifiquement, présentant des signaux aux mêmes profondeurs que la thermocline de l’Iroise. Ces dispositifs conventionnels apparaissent inadaptés à l’observation d’une cible océanographique superficielle, du fait i – d’un fort effet de filtre d’antenne lié à de grands offsets et longueurs de trace, et ii – de sources qui ne combinent pas puissance et fine résolution verticale. A partir de données océanographiques nouvelles acquises en Mer d’Iroise lors de la campagne Fromvar (été 2010), l’acquisition sismique a été modélisée, et les paramètres du dispositif idéal ajusté. Un système courts – offsets comprenant 4 flûtes de 6 traces de 1.8 m et un Sparker fournissant un signal de 400 Hz avec un niveau d’émission de 210 dB re 1 μPa @1m, a été proposé. Testé lors de la campagne ASPEX 2012, il a fournit une image de résolution latérale inédite de la thermocline saisonnière à 30 m de profondeur et de ses variations de fine échelle horizontale (quelques centaines de m à quelques km) causées par des ondes internes, au large de la Bretagne sud. / This work is a preliminary study for the development of a new tool, marine seismic reflection, for the observation of the seasonal thermocline of the Iroise Sea. It is the first application of this technique to the observation of shallow oceanographic structures (z < 50 m). In order to define general requirements for the design of a seismic acquisition system suited to the imaging of such targets, the theory of the seismic measurement was first investigated. Four multi-channel seismic reflection profiles from the GO, Carambar and Sigolo cruises were then reprocessed and analyzed in order to assess the potential of conventional seismic systems. They were found ill suited to the imaging of shallow oceanographic structures, because of a high antenna filter induced by large offsets and seismic trace lengths, and sources that do not reconcile with the high level of emission and fine vertical resolution. New oceanographic data acquired in the Iroise Sea during the Fromvar 2010 cruise allowed simulation of the seismic acquisition, and the definition of optimal acquisition parameters for the imaging of the seasonal thermocline. Sea trials of this specifically designed system were performed during the ASPEX survey, conducted in early summer 2012. The seismic device featured: four seismic streamers, each consisting of 6 traces of 1.80 m.; a 1000 J SIG Sparker source, providing a 400 Hz signal with a level of emission of 210 dB re 1 μPa @1m. This survey captured the 15 m thick, 30 m deep seasonal thermocline in unprecedented detail, showing images of vertical displacements of horizontal wavelength of a several hundreds m to a few km , most probably induced by internal waves.

L'interaction des courants de marée barotrope avec les talus continentaux est à l'origine de la génération d'ondes internes. D'importants transferts d'énergie et du mélange y sont associés, permettant le maintien de la circulation océanique générale. La modélisation des marées internes de grande amplitude du golfe de Gascogne de la campagne MINT94 du SHOM est réalisée à l'aide du modèle 3D côtier SYMPHONIE. Les propriétés de génération et de propagation des marées internes semi-diurnes et quart-diurnes, l'origine des ondes non-linéaires, sont présentées suite au développement de l'outil d'analyse WEof (Wavelet Empirical orthogonal function). Il combine analyse en ondelettes (localisation temps-fréquence) et analyse en composantes principales (identification des structures physiques cohérentes). Des études de sensibilité sont présentées indiquant l'influence sur la marée interne des contributions suivantes: forçage par la marée barotrope, bathymétrie et stratification thermohaline.

Dans ce travail nous nous sommes intéressés à des problèmes de modélisation et d'assimilation de données en océanographie, tant d'un point de vue théorique que numérique. L'étude de l'océan est cruciale pour de nombreuses raisons (changement climatique, météorologie, navigation commerciale et militaire, etc.). Dans une première partie nous étudions les équations primitives linéaires tridimensionnelles de l'océan, et nous donnons des résultats nouveaux de régularité en calculant explicitement le terme de pression. Dans une deuxième partie nous étudions l'assimilation variationnelle de données lagrangiennes dans un modèle d'océan. L'assimilation de données est l'ensemble des méthodes qui permettent de combiner de façon optimale, en vue d'effectuer des prévisions, deux sortes d'informations disponibles sur un système physique : les observations d'une part et les équations du modèle d'autre part. Nous utilisons une méthode variationnelle pour assimiler des données lagrangiennes, à savoir les positions de flotteurs dérivant dans l'océan. Nous commençons par établir de nouvelles estimations a priori pour les équations primitives afin d'étudier le problème théorique de contrôle optimal associé. Puis nous décrivons l'implémentation de la méthode variationnelle dans un modèle réaliste d'océan aux équations primitives. Enfin nous effectuons de nombreuses expériences numériques et notamment plusieurs études de sensibilité, qui montrent que l'assimilation de données lagrangiennes est techniquement réalisable et pertinente d'un point de vue océanographique.

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.

Ce travail de thèse a pour objectif de caractériser et quantifier les différences entre indices climatiques océaniques grande échelle simulés par une hiérarchie de neuf modèles numériques océaniques réalistes (cinq simulations libres et quatre réanalyses). Cette étude se focalise sur la région Atlantique Nord. Les indices climatiques suivants : transport méridien de volume (circulation méridienne d'overturning) et transport méridien de chaleur sont diagnostiqués dans les différents modèles. La période commune à huit des simulations s'étend sur neuf ans, l'étude de la variabilité de ces indices climatiques se focalise sur l'echelle interannuelle. L'influence de différents paramètres numériques : configuration et la résolution spatiales des modèles numérique libres, et l'influence de différents schémas d'assimilation de données séquentielle des réanalyses, sont évaluées au regard des observations et estimations disponibles de ces indices climatiques grande échelle. Il ressort de ce travail une importante diversité des solutions des modèles quant aux valeurs moyennes et aux variations de ces transports méridiens de volume et de chaleur. Les réanalyses océaniques étudiées ici, qui ont pourtant été contraintes vers un océan observé, peinent à converger vers des indices climatiques grande échelle cohérents, tant en moyenne qu'en variabilité interannuelle. Le manque de robustesse de ces réanalyses s'exprime par leur faible cohérence entre elles mais aussi au regard des estimations observationnelles disponibles, et illustre ainsi la difficulté de simuler des indices climatiques cohérents à grande échelle en assimilant avec des contraintes locales.

Les modèles emboîtés sont largement utilisés en météorologie et en océanographie. Ils permettent un accroissement local de la résolution, dans les zones où cela semble nécessaire, via l'intégration d'un même modèle sur une hiérarchie de grilles. Dans le cas d'interaction one-way, les conditions aux frontières pour la grille fine proviennent d'une interpolation de la solution obtenue sur la grille à plus faible résolution. Dans le cas d'interaction two-way, une rétroaction de la grille fine vers la grille grossière est ajoutée. Toutefois, le problème de l'assimilation variationnelle de données dans de tels systèmes n'a pas, ou peu, été étudié à ce jour. Ces classes de méthodes, notamment l'algorithme 4D-Var, permettent d'améliorer la solution d'un modèle, jusqu'ici mono-grille, en minimisant une fonctionnelle mesurant l'écart de ce modèle aux observations présentes sur une fenêtre temporelle. Le travail présenté ici vise donc à formuler un algorithme d'assimilation 4D-Var localement multi-grille. Pour le cas général d'une grille haute résolution emboîtée localement dans une autre à plus faible résolution, nous posons les équations du système adjoint dans les deux cas d'interactions one-way et two-way. Nous montrons ainsi que la formulation adjointe fait naturellement apparaître de nouvelles interactions entre les grilles, dans le sens opposé de celles existant dans la formulation directe. De plus, nous proposons différentes variantes à ces algorithmes, réalisant un couplage faible entre les solutions des différents modèles via l'ajout d'un terme de contrôle au niveau des transferts inter-grilles. Nous présentons également l'application d'une méthode multi-grille, le Full Approximation Scheme, à l'assimilation variationnelle de données. Cette approche permet d'obtenir un algorithme d'assimilation multi-grille potentiellement très efficace. Enfin, ces méthodes sont testées sur le cas d'un modèle Saint Venant 2D. Nous constatons une réduction importante des erreurs des solutions multi-grilles, ainsi qu'une accélération de la convergence de ces algorithmes.

L'objectif de ce travail est d'estimer les apports d'une topographie dynamique moyenne (MDT) déduite des données gravimétriques GRACE, pour la reconstruction de la circulation océanique du Pacifique Tropical par assimilation de données.<br />Les récentes avancées de notre connaissance du géoïde nous ont conduit à étudier l'impact de l'utilisation d'un signal altimétrique absolu. Un modèle (OPA) de l'Océan Pacifique Tropical, où des observations in-situ et quasi-synoptiques sont disponibles (réseau TAO), et un filtre de Kalman en rang réduit (SEEK) ont été mis au point et utilisés dans différentes configurations. La première suppose une situation pré-GRACE et utilise une MDT artificielle. La deuxième utilise une MDT observée déduite du géoïde GRACE. Conjointement à l'altimétrie, les profils de température TAO sont assimilés.<br />Ce travail montre l'importance d'une bonne référence pour les résidus altimétriques. Le résultat le plus important concerne la capacité du système d'assimilation utilisant GRACE à mieux composer avec des données mixtes: satellites et in-situ. Ici, l'assimilation conjointe d'altimétrie et de données TAO est plus performante grâce à la meilleure compatibilité des données.<br />En outre, une analyse physique, qui considère l'apport de l'assimilation à l'amélioration de la représentation de la dynamique du Pacifique Tropical, a été conduite. L'originalité de ce travail est de montrer comment l'assimilation contribue à améliorer notre compréhension des mécanismes physiques en action dans ce bassin.<br />De manière intéressante et rétrospective, cette analyse révèle aussi une zone (8°N) où les données GRACE semblent avoir des faiblesses qu'il serait judicieux de corriger.

Cette thèse porte sur l'application du filtre SEEK (Singular Evolutive Extended Kalman filter), un système d'assimilation de données pour les modèles océaniques, au contrôle d'une configuration du Golfe de Gascogne. Cette configuration au 1/15°, emboîtée dans une configuration au 1/3° de l'Atlantique Nord à travers l'emploi de Conditions aux Frontières Ouvertes (en mer), est développée à l'aide du modèle HYCOM (Hybrid Coordinate Ocean Model) à coordonnée verticale hybride. L'étude porte essentiellement sur la paramétrisation de l'erreur modèle dans le filtre SEEK, et plus généralement dans les filtres de Kalman de rangs réduits, pour le contrôle des modèles régionaux. Les paramétrisations classiques de ces systèmes d'assimilation, développés jusqu'à présent pour les modèles de bassin, sont inadaptées à la complexité de la dynamique régionale. On utilise des méthodes d'ensemble pour estimer de façon réaliste l'erreur modèle liée à la mauvaise détermination des forçages aux limites, forçages atmosphériques et CFO, dont l'influence est a priori très importante sur la dynamique régionale. La caractérisation des statistiques de l'erreur modèle est réalisée à l'aide de la méthode des représenteurs qui montre l'impact de l'assimilation de divers types d'observations pour le contrôle de l'état océanique. La propagation de l'erreur générée aux frontières ouvertes est faible. Les bons résultats donnés par l'emploi de l'erreur liée aux forçages atmosphériques, pour paramétrer le filtre SEEK dans des expériences d'assimilation de température de surface, que l'on compare à ceux donnés par une paramétrisation plus classique, montrent l'apport de cette étude sur l'erreur modèle.