L'objectif du satellite européen SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity), lancé le 02 novembre 2009, est de mesurer, par radiométrie en bande L, la salinité de surface des océans (SSS) et l'humidité des sols. Pour atteindre une précision de 0.1 – 0.2 pss sur des cartes de SSS moyennées sur 10 jours et sur 200 km x 200 km, une phase d'étalonnage et de validation des mesures doit être réalisée. Une des techniques retenues est la comparaison entre des salinités in situ, mesurées à plusieurs mètres de profondeur et les salinités SMOS, représentatives du premier centimètre sous la surface océanique. Cette différence verticale peut engendrer des biais de salinité importants, notamment en cas de fortes précipitations. Ce travail, réalisé en collaboration avec le LOCEAN et ACRI-St, se concentre sur la variabilité verticale de la salinité dans les 10 premiers mètres de la couche de surface océanique et sur ses conséquences pour la phase d'étalonnage/ validation de SMOS. Il propose, à partir de mesures in situ, une description des différences verticales de salinité sur l'ensemble des zones océaniques tropicales (30°N – 30°S). Une étude statistique de la relation entre ces différences verticales et un paramètre de pluie, construit à partir des mesures satellitaires de taux de précipitation est également effectuée. Enfin,pour combler le manque de salinités in situ proches de la surface, la possibilité d'utiliser des modèles théoriques pour simuler les différences verticales de salinité en cas de pluie a été étudiée. Les modèles utilisés sont le modèle de circulation océanique NEMO et le modèle unidimensionnel PWP ([Price et al., 1986]) qui calcule la profondeur de la couche de mélange.

L'objectif était d'approfondir notre connaissance sur les mécanismes d'échanges, près des zone s de convection profonde, plus particulièrement en périphérie des cyclones tropicaux en explorant les liens entre la convection tropicale et l'ozone troposphérique. Une approche climatologique a montré que l'influence de l'occurence fréquente de ces systèmes convectifs sur l'ozone troposphérique est double. L'analyse d'un cas de transfert subsident intense le 6 avril 1995 à la Réunion, alors à l'ouest du système Marlène, a permis de caractériser cet échange stratosphère-troposphère. L'examen du modèle idéalisé de cyclone tropical Hurricane a apporté des compléments dynamiques et a généralisé cette étude de mécanismes. De manière complémentaire au cas Marlène, trois situations météorologiques distinctes ou une forte interaction entre les dynamiques de la convection, du système jet-front et des ondes de Rossby induisent des échanges stratosphère-troposphère sont documentées

Les aérosols atmosphériques sont omniprésents dans l'air et jouent un rôle important à la fois à l'échelle globale, par leur action sur le bilan radiatif de la Terre, et à l'échelle locale, par leur impact sur la santé publique dans les zones fortement polluées. La matière organique est l'un des constituants principaux de l'aérosol ; la complexité et l'hétérogénéité de cette fraction ont jusqu'à présent constitué des difficultés majeures à leur intégration dans les études d'impact sanitaire ou climatique. 10 à 30% de la masse de cette fraction est constituée de « Humic Like Substances ». L'objectif de la thèse est de développer une méthode fiable et efficace d'extraction et d'analyse des HULIS (HUmic LIke Substances) issus de l'aérosol atmosphérique, et de déterminer leurs distributions spatiales et temporelles, leurs sources majeures et leurs structures chimiques grâce à 250 échantillons collectés sur six sites urbains. L'identification des deux sources majeures des HULIS sur l'aérosol, à savoir les sources secondaires (photo-oxydation en phase aqueuse dans certains cas) en été et les sources primaires liées à la combustion de biomasse en hiver, et ce, indépendamment du lieu géographique est démontrée. Une différence significative de la structure chimique des HULIS provenant de ces deux sources majeures est observée : ils regroupent des composés plus aliphatiques et moins aromatiques en été qu'en hiver, et leur teneur en groupements carboxyliques augmente de l'hiver à l'été.

Le continuum sol-zone non saturée-aquifère est rarement abordé en modélisation des pesticides car il requiert des outils et une méthodologie élaborés. Ces outils peuvent avoir des niveaux de complexités variables, le plus simple étant le modèle global et le plus complexe, le modèle hydrogéologique de transport en 3 dimensions prenant en compte chacun des compartiments dans le détail. Dans ce contexte une modélisation associant de manière dynamique des outils ou des méthodes propres à chaque compartiment propose une solution intermédiaire intéressante. Une approche progressive de la modélisation hydrodynamique ainsi que de la modélisation des transferts de pesticides, appliqué au cas du bassin versant hydrogéologique de la source des Brévilles à Montreuil-sur-Epte (Val d'Oise) a pu être réalisée et fournir un modèle couplé 1D / 2D prenant en compte l'écoulement et le transport dans le sol, la zone non saturée et la zone saturée

L'océan est turbulent et donc il est important de modéliser la turbulence océanique afin de mieux pouvoir en analyser les effets. Dans cette thèse, on étudie tant d'un point de vue théorique que numérique des modèles de turbulence pour des applications océanographiques. Dans une première partie, on présente un bref état de l'art sur les modèles de turbulence URANS (Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes) et LES (Large Eddy Simulation). La deuxième partie concerne les modèles URANS. On présente un nouveau modèle pour lequel on montre l'existence et l'unicité d'une solution dans le cas stationnaire. On montre que ce modèle est utilisable pour étudier la turbulence induite par le vent de surface en présence de convection, ce qui n'est pas le cas des modèles de Pacanowski-Philander et de Gent. Dans une troisième partie, on étudie un modèle LES. On adapte le modèle "Leray-déconvolution" à des conditions aux limites de type océan/atmosphère. Pour cela, on introduit une équation continue de déconvolution dont la solution est utilisée comme vitesse advective dans le modèle "Leray-déconvolution", ce qui nous amène à considérer un nouveau modèle LES, le modèle de déconvolution. On montre notamment que la solution du modèle de déconvolution converge vers une solution faible dissipative des équations de Navier-Stokes. On valide numériquement le modèle déconvolution en 2D grâce à des résultats DNS (Direct Numerical Simulation) dans des cas avec et sans bathymétrie.

The atmospheric response to the oceanic forcing in the eastern Pacific along the northern equatorial sea surface temperature (SST) front is investigated in terms of sensible and latent heat flux during the 6-month period 28 July 1999 through 27 January 2000. Of particular interest is the atmospheric boundary layer (ABL) response to oceanic Tropical Instability Waves (TIWs) that distort the SST front during May through January in normal years. In previous studies, time series of boundary layer properties clearly show the influence of TIWs but the relationship to spatial patterns of SST and wind stress has been inferred only from sparse in situ data. In this study, satellite observations are used to composite in situ data from moorings to compensate for the lack of a spatially dense mooring array. The variability in the position of the SST front caused by propagating TIWs enables fixed mooring locations to measure the atmospheric boundary layer (ABL) response from a large range of locations relative to the front. The satellite data enable determination of the precise location of the mooring relative to the front. The advantage of this strategy is the recurring measurement of the ABL response to the SST front over the six month period considered here. The results indicate that the TIW-induced perturbations of sensible and latent heat flux are spatially shifted in phase towards the east relative to the perturbations of SST. The maximum fluxes are not centered directly over the warmest water, but are shifted towards the portion of the frontal region where a disequilibrium boundary layer is expected due to the advection of colder air from the equatorial region. The changes of sensible and latent heat fluxes across the SST front have magnitudes of about 11 Wm⁻² and 126 Wm⁻², respectively. The sensible and latent heat flux patterns are interpreted in two complementary ways: (1) as an atmospheric response to the change of oceanic forcing as air flows across the SST front; and (2) as the atmospheric response to westward propagating TIWs along the SST front. / Graduation date: 2001

La circulation du golfe du Lion est influencée par un forçage atmosphérique intense et le Courant Nord Méditerranéen (CNM). Une configuration au 1/16° a été utilisée pour modéliser la dynamique complexe de cette région, mais ne permet pas de modéliser correctement le CNM. Nous avons utilisé la méthode d'assimilation du filtre SEEK afin de combiner l'information contenue dans ce modèle et celle provenant d'observations synthétiques altimétriques (de type SARAL-AltiKa) et in situ, extraites d'une configuration réaliste du golfe du Lion au 1/64°. Afin d'évaluer la qualité des résultats, des diagnostics statistiques et physiques ont été établis et témoignent d'une bonne qualité de l'expérience. On a ainsi montré une amélioration des caractéristiques du CNM en surface et en profondeur, de son activité mésoéchelle et permis l'intrusion de branches de recirculation sur le plateau. Une meilleure représentation de ce courant a permis d'améliorer la quantité des échanges côte-large de même que la caractéristique des eaux du plateau, ce qui a permis la formation d'eaux denses hivernales, leur convection puis leur cascading le long du talus. L'assimilation a aussi amélioré les caractéristiques du panache du Rhône. On a ainsi montré que l'assimilation de nouvelles formes d'observations dans les systèmes opérationnels permettra de contrôler des processus plus fins et proches des côtes, non contrôlés par les systèmes d'observations actuels.

Nonlinear dynamical systems theory has inspired a new set of useful tools to be applied in climate studies. In this work we presented specific examples where information has been gained by the application of methods from nonlinear dynamical systems theory. The main goal is to understand the relative importance of stochastic forcing versus deterministic coupling within the context of Coupled General Circulation Models. This work address this important subject by approaching this goal through the development of a hierarchy of models with increasing complexity that we assert contain the essential dynamics of ENSO. We examined the effect of noise in a low order model and found that it is not restricted to blurring the attractor trajectories in phase space, but includes important changes in the dynamics of the system. The main results indicate that the presence of noise in a nonlinear system has two different effects. The presence of noise acts to increase the maximum Lyapunov exponent and can result in noise induced chaos if the system was originally stable. However, the same arguments are not valid if the original system is already in the chaotic regime, where the noise inclusion acts to decrease the maximum Lyapunov exponent, therefore increasing the system stability. The system of interest includes coupled ocean-atmosphere interactions and here we mimic this interaction by coupling two low order models with very different dominant time scales. These subsystems interact in a complex, nonlinear way and the behavior of the whole system cannot be explained by a linear summation of dynamics of the system parts. We used information theory concepts to detect the influence of the slow system dynamics in synchronizing the fast system in coupled models. We introduced a fast-slow coupled system, where both the slowness of the ocean model and the intensity of the boundary forcing anomalies contribute to the asymmetry and phase locking of both subsystems. The mechanisms controlling the fast modelspread were uncovered revealing uncertainty dynamics depending on the location of ensemble members in the model’s phase space. As an intermediate step between low order models and CGCMs we study the effect of noise on an intermediate complexity model. The addition of gaussian noise to the Zebiak-Cane model in order to understand the effects of noise on its attractor led to a way of estimating the noise level based on the effects of noise on the correlation dimension curves. We investigate the intrinsic predictability of the coupled models used here, and the different time scales associated with fast and slow modes were detected using the Finite Size Lyapunov Exponents. We found new estimates for the prediction horizon of ENSO for the Zebiak-Cane model as well as for the NCAR CCSM3 model and observations. The whole analysis of observations and CCSM3 was possible after applying noise reduction techniques. We also improved our understanding of three different noise reduction techniques by comparing the Local Projective Noise Reduction, the Interactive Ensemble strategy, and a Random Interactive Ensemble applied to CCSM3. The main difference between these two noise reduction techniques is when the process is applied. The Local Projective Noise Reduction can be applied to both model and observations, and it is done a posteriori in phase space, therefore the trajectories to be adjusted already posses the physical mechanisms embedded in them. The Interactive Ensemble approach can only be applied to model simulations and has shown to be a very useful technique for noise reduction since its done a priori while the system evolves instead of a posteriori, besides the fact that it allows to retrieve the spatial distribution of the noise level in physical space.

Le Sud-Est de la France est régulièrement soumis à des épisodes de pluies intenses en automne, entraînant parfois des inondations ayant un fort impact sociétal. L'un des sujets de recherche du projet HyMeX (Hydrological cycle in the Mediterranean Experiment) porte d'ailleurs sur l'amélioration de la compréhension et de la prévision de tels phénomènes. La particularité du nuage orageux est la production d'éclairs, précédée par l'électrisation du nuage. Des études ont montré que la présence simultanée de graupels, de cristaux de glace et d'eau surfondue dans les zones convectives était nécessaire à l'établissement de l'électrisation. Il existe donc un lien entre ces paramètres et l'occurrence d'éclairs. Le but de cette thèse est d'identifier et de quantifier des relations entre éclairs nuage-sol et paramètres nuageux en France métropolitaine et particulièrement dans le Sud-Est. Pour ce faire une analyse multi-variables a été réalisée à partir de plusieurs jeux de données : électrique (observation d'éclairs nuage-sol, Météorage) et radar (Dopplers : restitution des champs 3D de réflectivité et de vent, et polarimétriques : restitution de la microphysique, Météo-France). L'étude a été menée sur deux régions : la région parisienne et la région Sud-Est. Les résultats obtenus permettent notamment d'établir des relations linéaires quantifiables entre volume de réflectivité supérieure à 40 dBZ et taux d'éclair nuage-sol ainsi qu'entre masse de glace précipitante (principalement composée de graupel) et taux d'éclair. Une application de " l'hypothèse des flux de glace " basée sur le mécanisme d'électrisation non-inductif des orages a également été testée et montre des résultats encourageants entre produits des flux de masse de glace précipitante et non précipitante et taux d'éclair. La comparaison des résultats régionaux a montré un caractère plus facilement généralisable de la relation entre forte réflectivité et taux de CG. Au contraire, les relations basées sur les masses de glace semblent plutôt avoir un caractère régional. L'étude du premier cas considéré comme représentatif de la campagne HyMeX a permis la comparaison de la restitution des masses de glace à partir des données provenant de deux radars du réseau opérationnel de Météo-France (l'un en bande C, l'autre en bande S). Cette étude fait apparaître que la masse de glace précipitante semble sensible à l'instrument utilisé pour la restituer contrairement à la glace non précipitante (cristaux de glace et neige sèche).

De nombreux indicateurs climatiques et expériences de modélisation montrent l'influence des paramètres de l'orbite terrestre sur les variations passées des systèmes de mousson en Asie et en Afrique. En particulier, les moussons sont amplifiées au début de l'Holocène, période de maximum d'insolation au sommet de l'atmosphère pendant l'été boréal. Ce travail s'intéresse aux variations des systèmes de mousson du Sahel, d'Inde et d'Asie du sud-est au début de l'Holocène (9.5 ka BP) et à l'Holocène moyen (6 ka BP) à l'aide du modèle couplé IPSL-CM4. Il met en évidence l'effet de la précession des équinoxes et de l'influence de diverses rétroactions du climat sur la saisonnalité et les variations relatives de ces trois systèmes de mousson au cours de l'Holocène. Ainsi l'amplitude et la phase des mécanismes de réponse aux variations d'insolation diffèrent entre la mousson indienne et la mousson africaine. La thèse aborde aussi le possible rôle de téléconnections entre les systèmes de mousson et les moyennes latitudes. Des expériences de sensibilité à la calotte résiduelle au début de l'Holocène et à l'impact du flux d'eau douce lié à la fonte des calottes en Atlantique Nord montrent des réponses différentes des systèmes asiatiques et africains à ces forçages. Pour compléter ces expériences, la réponse des moussons à un flux d'eau douce en Atlantique Nord est comparée pour plusieurs périodes climatiquespassées (Eémien, dernier maximum glaciaire et Holocène), présente et future. Les résultats des simulations à l'Holocène et au dernier maximum glaciaire sont mis en regard d'enregistrements paléoclimatiques océaniques prélevés dans l'Océan Indien.