Le picophytoplancton (diamètre <2-3 μm) constitue une fraction importante de la biomasse phytoplanctonique totale et de la production primaire dans l'océan ouvert. Parmi le picophytoplancton, trois groupes principaux ont été identifiés: les cyanobactéries Prochlorococcus et Synechococcus, et des picophytoeucaryotes appartenant à des taxa différents. Bien que les cyanobactéries, spécialement Prochlorococcus, dominent généralement en nombre, les picophytoeucaryotes peuvent dans certains cas dominer la biomasse et production picophytoplanctoniques, grâce à leur taille et contenu intracellulaire de carbone plus élevés. Ce travail s'appuie sur les hypothèses que la variabilité spatiale de la biomasse picophytoplanctonique dans l'océan ouvert (i.e., Prochlorococcus, Synechococccus et picophytoeucaryotes) est essentiellement déterminée par les picophytoeucaryotes et que ce groupe contribue significativement à la variabilité journalière de la concentration du carbone organique particulaire total (COP). Pour tester ces hypothèses, les abondances du picophytoplancton, ainsi que celles du bacterioplancton (i.e, Bacteria + Archaea) ont été déterminées lors de deux campagnes océanographiques dans le Pacifique Sud Est entre Tahiti et la côte chilienne (BEAGLE et BIOSOPE). Dans les deux cas les abondances ont été déterminées par cytométrie en flux, alors que les biomasses en carbone ont été estimées en utilisant des facteurs de conversion tirés de la littérature (BEAGLE) ou à travers les contributions des différents groupes planctoniques au coefficient d'atténuation particulaire (cp), un proxy de la concentration de COP (BIOSOPE). La tendance générale est une augmentation des abondances et biomasses picoplanctoniques entre les conditions oligo- (ou hyper-oligo) et mesotrophiques dans le Pacifique Sud Est (Prochlorococcus, Synechococcus, picophytoeucaryotes et bacterioplancton atteignant jusqu'à 116, 21, 7 et 860 x 1011 cel m-2, respectivement), avec une légère diminution vers les eaux eutrophiques côtières pour tous sauf le bacterioplancton, les Prochlorococcus n'ayant pas été détectés sur la côte. Les picophytoeucaryotes représentaient une fraction importante de la biomasse picophytoplanctonique (>50% dans la plupart de la zone d'étude) et phytoplanctonique totale (>20% dans l'océan ouvert), déterminant la variabilité spatiale de la première. De plus, la contribution de ce groupe à la variabilité journalière de la concentration de COP n'était pas significative (~10%). Les taux de changement journaliers de cp (d-1), d'une autre parte, étaient significativement corrélés à ceux de la biomasse picophytoplanctonique (r = 0.7; p < 0.001). L'utilité de cp comme proxy de la biomasse picophytoplanctonique est brièvement discutée par rapport à celle de la chlorophylle a. La biomasse des picophytoeucaryotes était beaucoup plus importante de ce qui était initialement anticipé, étant souvent plus importants que celle des Prochlorococcus dans l'océan ouvert. Les picophytoeucaryotes jouerait donc un rôle écologique et biogéochimique dominant dans les gyres subtropicaux, lesquelles occupent une vaste superficie de l'océan mondial.

Ce travail de thèse a pour objectif d'évaluer l'apport des données altimétriques satellitaires sur le contrôle des circulations océaniques dans l'océan Atlantique Tropical par assimilation de données.<br />Une méthode d'Expériences de Simulations de Systèmes d'Observations (OSSE) a été appliquée en expériences jumelles avec le modèle de circulation océanique NEMO dans une configuration emboîtée d'une résolution spatiale de 0.25°.<br />Ces expériences ont été réalisées, de manière distinctes, pour deux phénomènes marquants de l'Atlantique Tropical : les ondes tropicales d'instabilités (TIW) et les tourbillons associés au courant du Brésil (NBC).<br />Nous avons testé différents systèmes satellitaires, comprenant des satellites existants (JASON-1, JASON-2, ou ENVISAT ...), des satellites programmés (SARAL) ou encore en projet tels que SWOT.<br />Pour ces derniers, différentes options d'orbites ont été envisagées.<br />Les principaux résultats obtenus ont montré que si un seul satellite est suffisant pour contrôler la propagation des TIW et des tourbillons du NBC, un système multi-satellitaire est nécessaire pour corriger avec précision leur structure verticale.<br />Certaines orbites se sont révélées plus favorables que d'autres pour corriger l'un des deux phénomènes, et l'existence de critères d'échantillonnage spécifiques (cycle de répétitivité, sous-cycles) est apparue comme déterminante.<br />Enfin, les apports de l'atimétrie à large fauchée (qui devrait être opérationnelle dans quelques années) ont été mis clairement en évidence.

L'objectif de ma thèse est de conduire et d'utiliser les observations de haute précision de gaz à effet de serre pour estimer les émissions de ces gaz à différentes échelles en France, du locale au régionale. Le réseau français de mesure de gaz à effet de serre, géré par l'équipe RAMCES, est constitué de trois observatoires équipés de systèmes de mesure par chromatographie en phase gazeuse. Ces chromatographes en phase gazeuse sont situés à Gif-sur-Yvette, Trainou (forêt d'Orléans) et au sommet du Puy-de-Dôme. Ils ont été optimisés pour la mesure continue et de haute précision des principaux gaz à effet de serre : CO2, CH4, N2O et SF6. Ayant installé le GC au Puy-de-Dôme au cours de l'année 2010, je présenterai et analyserai en détail la série temporelle obtenue depuis son installation. Les mesures de gaz à effet de serre et des traceurs associés m'ont permis d'utiliser une approche multigaz pour contraindre leurs émissions à différentes échelles. A une échelle départementale et régionale, j'ai utilisé le 222Rn comme traceur de masses d'air pour quantifier les flux surfaciques mensuels de N2O à Gif-sur-Yvette et Trainou. Les émissions annuelles de N2O estimées à Gif-sur-Yvette et Trainou sont respectivement de 0.34/0.51 et 0.52 g(N2O) m-2 a-1. Le cycle saisonnier des émissions de N2O a permis de mettre en évidence l'impact de l'agriculture sur les émissions lors de l'apport d'engrais azoté dans les sols. J'ai mis en évidence une corrélation entre les flux de N2O annuels et les précipitations annuelles à Gif-sur-Yvette. A une échelle locale, j'ai utilisé le CO2 et ses isotopes mesurés lors d'une campagne réalisée pendant l'hiver 2010 à Paris, pour estimer les flux de CO2 parisien. Les mesures de 14CO2 atmosphérique m'ont permis de montrer que les flux de CO2 parisien en hiver sont essentiellement anthropiques (77 %) avec une contribution significative des émissions biogéniques (23 %). L'analyse du 13CO2 à quant à lui mis en évidence que les 77 % d'émission de CO2 d'origine fossile sont dues à 70 % à l'utilisation de gaz naturel et 30 % à l'utilisation de pétrole.

Intraseasonal oscillations (ISOs) are important elements of the tropical climate with time-scales of 20-80 day. The ISO is poorly simulated and predicted by numerical models. This work presents a joint diagnostic and modeling study of the ISO that examines the hypothesis that local coupling between the ocean and the atmosphere is essential to the existence and evolution of the ISO in the Indo-Pacific warm pool region. Low-level moistening during the transition phase preconditions the atmosphere for deep convection. The vertical structure of ISO from the ECMWF coupled model during different phases of the oscillation as well as the skill of the model in simulating the processes that occur during the transition phase were studied. The forecast skill of the vertical structure associated with the ISO is greater for winter than for summer events. Predictability of the convective period is poor when initialized before the transitional phase. When initialized within the transition period including lower tropospheric moistening, predictability increases substantially, although the model parameterizations appears to trigger convection quickly without allowing an adequate buildup of CAPE during the transition. The model tends to simulate a more stable atmosphere compared to data, limiting the production of deep convective events. Two different one-dimensional coupled models are used to analyze the role of local ocean-atmosphere coupling in generating ISO. The ocean component is a one-dimensional mixed layer model. In the first model the atmospheric component corresponds to the SCCM. Results suggest that convection in the model tends to be "overactive," inhibiting development of lower frequency oscillations in the atmosphere. In the second case, the atmospheric component is a semi-empirical model that allows reproducing the coupled ISO over long integration periods including only local mechanisms. In the semi-empirical scheme the rate of change of atmospheric variables is statistically related to changes in SST. The stable state of this model is a quasi-periodic oscillation with a time scale between 25 and 80 days that matches well the observed ISO. Results suggest that the period of the oscillation depends on the characteristics of the ocean mixed layer, with a higher frequency oscillation for a shallow mixed layer.

This thesis investigates possible dynamical pathways through which variability in the extra-tropical Pacific Ocean influences decadal fluctuations of tropical Pacific sea surface temperatures (SST). Specifically, we examine the hypothesis that low-frequency changes in the Pacific‟s meridional subtropical cells (STCs), which transport subsurface water masses equatorward from the extra-tropical into the tropical Pacific upwelling system, modulate decadal variations of the equatorial SST. The relationship between the STCs and equatorial Pacific SST anomalies is explored statistically using the monthly hindcast output from the Ocean General Circulation Model (OGCM) for the Earth Simulator (OFES). We find that decadal variability of the subsurface heat transport of the southern branch of the STC is more closely correlated (R = -0.74) with eastern equatorial SST anomalies on timescales longer than 8 years. The northern branch of the STC is overall not well correlated with equatorial SSTa; however, we find that in the period before the 1976 climate shift, the northern cell is more strongly and significantly correlated with equatorial SSTa (R = -0.89, >99%), while the southern cell is not (R = -0.32). The physical significance of these findings remain unclear and requires isolating mechanisms that could lead to an asymmetry in the role of the northern and southern STC in modulating eastern equatorial SSTa during different states of the Pacific climate. This will be a critical step to attribute physical significance to the statistical changes observed before and after the 1976 climate shift.

L'aérosol anthropique peut affecter le cycle de vie des nuages de couche limite, en modifiant l'albédo du nuage et en inhibant la formation des précipitations. Cependant, il est difficile de quantifier ces impacts à partir d'observations. Les interactions aérosol-nuages de couche limite sont donc étudiées à l'aide des modèles numériques à résolution fine (LES), qui disposent de paramétrisations détaillées de la turbulence, du transfert radiatif et de la microphysique nuageuse. Dans cette étude, nous examinons plus spécifiquement les impacts de l'aérosol sur le cycle diurne de stratocumulus marins. Des simulations LES d'un cycle de 36 heures sont réalisées pour des concentrations d'aérosol typiques de masses d'air pures et polluées. Partant d'un même état initial, les simulations divergent rapidement. L'augmentation de la concentration des noyaux de condensation nuageux conduit à une augmentation de la concentration des gouttelettes, à une diminution de leur diamètre, et ainsi à l'inhibition de leur sédimentation et de la précipitation de bruine. Le contenu en eau liquide au sommet nuage augmente et l'entraînement sommital est renforcé. De plus, l'absorption du rayonnement solaire à la base du nuage n'est plus compensée par l'évaporation de la bruine et le découplage de la couche nuageuse est renforcé. Dans l'ensemble, la couche limite polluée est mieux couplée la nuit et plus découplée le jour que la couche limite marine pure. Ces simulations permettent d'identifier des signatures mesurables de l'impact des aérosols sur la dynamique de la couche limite, et ainsi de mieux concevoir les expériences de terrain qui visent à quantifier ces impacts.

Un système de prévision d'ensemble locale (LEPS-Local Ensemble Prediction System) ciblant la prévision des brouillards et nuages bas sur l'aéroport international de Paris Charles de Gaulle a été développé pour la prévision courte échéance du risque d'occurrence de conditions LVP (Low visibility Procedure – visibilité < 600m et/ou plafond < 60m). Les sources d'incertitudes sur les entrées du modèle numérique COBEL-ISBA ont été identifiées sur les conditions initiales et sur les forçages de mésoéchelle. Une calibration bayesienne (BMA-Bayesian Model Averaging) a été appliquée sur l'ensemble afin d'améliorer la fiabilité du système. La validation de LEPS montre que ce système probabiliste fournit des prévisions fiables de courte échéance du risque d'occurrence de conditions LVP sur l'aéroport de Paris Charles de Gaulle. Si bien que LEPS ouvre des perspectives intéressantes pour la planification des vols, la sécurité et la gestion de la plate-forme aéroportuaire

Le travail de thèse a porté sur l'utilisation des données radar dans les domaines de la validation et de l'initialisation des modèles atmosphériques à échelle kilométrique. Dans la première partie, un simulateur radar sophistiqué et modulaire est développé dans le modèle atmosphérique à haute résolution Méso-NH. Des tests de sensibilité sur les différentes formulations utilisées pour décrire chaque processus physique impliqué dans les mesures radar (réflectivités et vents radiaux Doppler) sont effectués. Ils permettent de préciser le niveau de complexité nécessaire pour la simulation de la donnée radar à des fins de validation et pour l'opérateur d'observation à des fins d'assimilation des données radar. Dans la seconde partie, une méthode originale est développée pour assimiler les réflectivités. Cette méthode en deux temps, appelée 1D+3DVar, restitue d'abord des profils verticaux d'humidité à partir de profils de réflectivité par le biais d'une technique bayésienne qui utilise des colonnes voisines d'humidité et de réflectivité cohérentes du modèle. Les pseudo-observations restituées sont à leur tour assimilées par un système d'assimilation 3DVar à la résolution de 2,5 km. La méthode est évaluée et réglée avec à la fois des données simulées et réelles. On montre notamment le bénéfice de l'assimilation des données de réflectivité pour les prévisions à courte échéance de la situation des inondations exceptionnelles de septembre 2002 dans le Gard.

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.

Le mercure est un métal toxique émis dans l'environnement par des sources naturelles et anthropiques, et se retrouve dans l'atmosphère majoritairement sous forme élémentaire gazeuse (Hg°). Le cycle naturel de ce polluant a été durablement perturbé par l'Homme, et l'importance de ces perturbations est mal caractérisée à ce jour. L'air des névés polaires contient un enregistrement de la composition passée de l'atmosphère qui n'a jamais été utilisé pour l'étude du cycle du mercure. En 2005 et 2006 à Summit, Groenland Central, nous avons observé une réactivité chimique du mercure dans les trois premiers mètres de neige de surface, se traduisant par des variations journalière et saisonnière des concentrations en Hg° dans l'air interstitiel. Cependant, nous avons montré que ces processus n'affectaient pas l'enregistrement atmosphérique contenu dans le névé profond. Nous avons mesuré les concentrations en mercure élémentaire gazeux dans l'air du névé entre 15 et 79,5 mètres de profondeur, et avons pu établir la fonction de transfert pour Hg° au site de Summit. Cette dernière à alors été utilisée pour reconstruire les concentrations passées de l'atmosphère de Hg° aux moyenne et hautes latitudes nord depuis 1950. Le signal reconstruit montre un maximum à ~3 ng.m-3 en ~1970, et reproduit la stabilité des concentrations observées depuis 1995. Notre modèle met en évidence l'influence forte des émissions humaines sur le contenu en mercure de l'atmosphère. Le puits chimique atmosphérique de Hg° est très actif et permet de fait un transfert rapide du mercure depuis le réservoir atmosphérique vers les réservoirs océaniques et continentaux. Déposé sous formes divalentes, il devient alors disponible pour la méthylation et postérieurement la contamination des écosystèmes.