Les émissions de dioxyde de carbone (CO2) et de méthane (CH4) et le cycle du carbone dans la retenue de barrage de Petit-Saut et la rivière Sinnamary (Guyane Française) ont été étudiés dans le but de développer un modèle couplé hydrodynamique-biogéochimie. Le développement de ce modèle a nécessité l'étude de trois processus contrôlant ces émissions : (i) la production de CO2 et de CH4 lors de la dégradation de la matière organique (MO) des sols et de végétaux, (ii) l'oxydation aérobie du CH4 dans la colonne d'eau du barrage et (iii) les processus d'échange gazeux à l'interface air-eau.<br />Sur 10 ans, les émissions atmosphériques se sont avérées très significatives, notamment les trois premières années ayant suivies la mise en eau, puis décroissent au cours du temps. Tandis que 50% des émissions de CO2 ont lieu à la surface du lac, les émissions de CH4 sont principalement localisées en aval des turbines. <br />Les émissions atmosphériques résultent de la dégradation de la MO (sol et biomasse issus de la forêt tropicale) immergée lors de la mise en eau et leur diminution au cours du temps découle de l'épuisement du stock de MO. Au terme de 10 ans, 20% du stock de carbone a été minéralisé et émis vers l'atmosphère sous forme de CO2 et de CH4. L'oxydation aérobie du CH4 transforme plus de 95% du CH4 diffusant depuis l'hypolimnion en CO2 dans la colonne d'eau du lac et 40% du CH4 entrant dans la rivière à l'aval. A l'échelle du barrage ce processus est responsable de l'oxydation de 90% du CH4 produit et de 30% des émissions totales de CO2. Le CH4 et le CO2 qui atteignent les eaux de surface du barrage sont émis vers l'atmosphère par flux diffusifs. L'étude de ce processus de transfert gazeux à l'interface air-eau montre que, en milieu tropical, les flux diffusifs sont accélérés par les fortes températures et les phénomènes pluvieux.<br />Le modèle est basé sur le modèle hydrodynamique SYMPHONIE 2D et les modules biogéochimiques développés dans le cadre de cette étude à partir des données cinétiques des processus étudiés. Les profils verticaux simulés de température, d'oxygène, de CO2 et de CH4 sont bien reproduits. Ce modèle pose les bases d'un outil opérationnel de modélisation pour la retenue de Petit Saut ainsi que pour d'autres réservoirs en milieu tropical.

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.

Les dunes de sable dans le désert ou les rides sur les plage sont issues de problématiques d'interaction entre un écoulement (d'eau et/ou de vent) et un tas de sable. Sous l'hypothèse que les perturbations dues à l'hydrodynamique de l'interaction restent confinées dans une fine couche visqueuse près du fond de l'écoulement, nous obtenons des résultats analytiques et numériques de la stabilité des rides sur un fond érodable à long terme. Ces résultats sont comparés favorablement à certaines études expérimentales. Dans le cas d'un tas de sable posé sur un fond non érodable, nous montrons qu'avec la seule longueur de saturation ou le seuil de mise en mouvement des grains, il est possible de relier des configurations finales de dunes de tailles différentes, sous des cisaillements différents, à partir de transformations auto-similaires.

À notre connaissance, nous avons présenté le premier ensemble d'expériences qui mènent aux profils d'équilibre. Parmi ces profils, deux morphologies schématiques sont obtenues:<br />une plage barrée et une plage en forme de terrasse. La vitesse de chute adimensionnelle ou<br />le nombre de Dean , est le paramètre principal.<br />La réponse morphologique est comparée avec la classification de Wright and Short (1984).<br />Nous avons réalisé une classification plus fine au niveau du type de la plage<br />pour les valeurs intermédiaires de nombre de Dean.<br /><br />A propos des effets correspondant à la présence des ondes-infragravités sur la formation et stabilité des barres, nous avons constaté que la conjonction de noeud des vagues infragravités et le point<br />de déferlement est favorable à la formation et la stabilité de la barre d'avant côte.

La vapeur d'eau joue un rôle majeur dans le fonctionnement climatique et météorologique de la Terre. C'est notamment une variable clé pour comprendre les phénomènes de convection à l'origine des précipitations intenses. Or les prévisions quantitatives des pluies ne s'améliorent pas depuis 20 ans parce que - entre autres - la mesure de la variabilité de la vapeur d'eau est une lacune des systèmes d'observations. La précision de la mesure du contenu intégrée en vapeur d'eau par le système GPS est démontrée depuis une dizaine d'années. La tomographie GPS permet aujourd'hui de restituer le champ 3D de vapeur d'eau. <br />Ce mémoire présente la théorie (méthodes des moindres carrés et filtre de Kalman), la validation et les applications du logiciel LOFTT_K de tomographie troposphérique GPS développé pendant cette thèse. La tomographie a été validée grâce à des simulations, des modèles météorologiques et des mesures indépendantes. Elle a ensuite été utilisée pour comprendre les interactions petites échelles entre les dynamiques locales (les brises) et de mésoéchelle (le mistral). Le GPS météorologique a permis aussi de caractériser les variations d'humidité pendant les pluies cévenoles. Enfin la tomographie GPS régionale a mis en évidence un mécanisme de chargement en humidité de l'atmosphère avant l'initiation de la convection.<br />A l'avenir, les données GPS seront assimilées dans les modèles opérationnels de prévision météorologique. Elles doivent aussi servir à approfondir la connaissance des relations entre les précipitations, la convection et la dynamique de la vapeur d'eau.

Le relief des vallées modifie la structure et l'évolution de la couche limite atmosphérique (CLA) par comparaison avec le sol plat et ainsi affecte le transport et le mélange de polluants. L'objet de cette étude est alors de comprendre, au moyen de l'observation et de la simulation numérique, l'évolution de la structure de l'atmosphère (en particulier la CLA) dans les vallées. A cette fin, des données issues du programme POVA, relatif à la qualité de l'air dans les vallées alpines, sont analysées. Un modèle de type simulation des grandes échelles est également adapté (et évalué au moyen des données expérimentales). Les processus d'échanges verticaux couplant la CLA convective à l'atmosphère libre (AL) sont ensuite détaillés sur sol plat. Les résultats de cette étude permettent de caractériser et de quantifier les spécificités des écoulements en vallée et les mécanismes d'entraînement à l'interface entre la CLA et l'AL sur sol plat.

La pollution de l'air résulte de multiples facteurs anthropiques. La nature dynamique de l'atmosphère facilite ensuite le transport des particules émises à différentes échelles spatiales. Ces apports anthropiques sont déposés suivant différents processus sur tous les types de milieux, tant urbains que ruraux, en les affectant plus ou moins irrémédiablement. De nombreux travaux ont cherché à évaluer les quantités déposées sur ces différents milieux sans toutefois tenter d'en déterminer la représentativité. Sous le vocable représentativité, nous incluons la comparaison avec les autres voies d'introduction de tels polluants dans les milieux considérés. Les principaux objectifs de ce travail sont d'une part, d'améliorer les connaissances sur les quantités de métaux et d'hydrocarbures déposées en les comparant aux autres voies d'apport pour chaque type de milieu et d'autre part, d'identifier leur principale origine. Préalablement à la quantification des flux de déposition, nous avons procédé à une comparaison des protocoles de collecte des dépôts atmosphériques totaux, montrant que la collecte n'était ni dépendante du matériau utilisé pour les entonnoirs, ni de la durée de la période de collecte. Par contre, le rinçage des entonnoirs a montré un apport plus important lors des collectes hebdomadaires que mensuelles, les parts relatives étant respectivement 24-40 et 8-18 %. L'étude des évolutions temporelles qui a suivi cette étape de validation a montré globalement une absence de variation saisonnière sur la période 2001-2002 des métaux. Cependant, une baisse significative des flux de déposition est apparue entre 1994 et 2002 de facteurs respectivement égaux à 16 ; 2,5 ; 4 et 7,5 pour Cd, Cu, Pb et Zn à Créteil. Les quantités se déposant sur la région Ile-de-France, similaires sur les zones urbaines et semi- urbaines (? 20 t.an-1 pour les éléments Ba, Cu, Pb et Sr) malgré une surface quatre fois plus importante dans le second cas, ont permis de constater l'importance des flux de dépositions en zone urbaine. A l'échelle du bassin de la Seine, les quantités déposées par la voie atmosphérique sont du même ordre de grandeur que celles présentes dans les matières en suspension de la Seine à l'estuaire de son bassin, avec des rapports compris entre 0,8 et 4,8 pour des éléments tels que Al, Cd, Co, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb et Zn. La comparaison des flux de déposition avec les autres apports s'est effectuée en zones agricole et urbaine. Dans le premier cas, les retombées atmosphériques sont apparues comme la voie prépondérante des apports de Cu, Ni et Pb, alors que le Cd est majoritairement apporté par les intrants agricoles. Ces deux modes d'apport engendrent une accumulation de Cd, Ni et Pb dans les horizons de surface avec un taux annuel respectivement de 0,33 ; 0,014 et 0,014 % et une diminution du Cu de 0,024 % par an. En zone urbaine, les retombées atmosphériques ont été comparées aux ruissellements de toitures et de chaussées. Ainsi, l'apport atmosphérique est la voie prépondérante d'introduction de métaux et d'hydrocarbures, à l'exception des éléments Cu, Pb, Ti et Zn émis majoritairement par les toitures. Cependant, les apports atmosphériques sont inférieurs, de l'ordre de 1,5 à 27 fois suivant les éléments, aux apports occasionnés par le lavage de la voirie. L'étude des sources atmosphériques d'aérosols a permis l'obtention d'outils permettant la caractérisation des principales sources de rejets atmosphériques de métaux. Ainsi, les différents types d'aérosols considérés ont pu être clairement distingués suivant différents éléments et rapports d'éléments. L'utilisation des outils obtenus sur les données de retombées atmosphériques ne semble cependant pas permettre une distinction des différents apports anthropiques et terrigènes du fait des phénomènes de mélange atmosphériques.

Dans un contexte de changement climatique, la connaissance des climats passés permet de mieux cerner<br />l'évolution future du climat. Les isotopes stables de l'eau constituent un excellent proxy paléo-climatique. Les<br />propriétés physiques des isotopes lourds de l'eau (H182 O; HDO) induisent des fractionnements isotopiques,<br />qui dépendent de la température et du taux de distillation. Sous réserve d'une inversion bien conditionnée du<br />signal isotopique, on peut reconstruire les variations passées du climat à partir d'archives isotopiques. Les carottes<br />de glace andines constituent un enregistrement unique de la variabilité du climat tropical. En revanche,<br />la complexité de la circulation atmosphérique rend plus ardue l'interprétation de leur signal isotopique.<br />En conséquence, nous avons développé au cours de cette thèse un module traitant du fractionnement<br />des isotopes stables de l'eau au sein du modèle de circulation régionale REMO pour application au cas de<br />l'Amérique du Sud. Le manuscrit retrace les principales étapes de la thèse. Il s'agit de la mise en perspective<br />du travail de thèse dans la problématique du changement climatique ; la description du modèle de circulation<br />régionale REMOiso et de son module traitant des isotopes de l'eau ; la validation initiale de REMOiso sur<br />l'Europe ; l'étude des variations saisonnières des précipitations, de la circulation atmosphérique régionale et<br />du signal isotopique en Amérique du Sud ; de l'enregistrement par les isotopes stables de l'eau de la mousson<br />sud-américaine.

Le suivi de la contamination côtière par les métaux, au moyen de bivalves du genre Mytilus, est de pratique courante dans de nombreux programmes de surveillance à travers le monde. La bioaccumulation résulte d'une interaction entre facteurs physiologiques (croissance, perte de poids, absorption, stockage), chimiques (transferts métaux, spéciation, biodisponibilité) et environnementaux (température, MES, chlorophylle). L'étude et la modélisation de ces interactions est d'un intérêt considérable pour la compréhension des phénomènes et l'interprétation de la bioaccumulation des métaux traces chez la moule. Compte tenu des objectifs de l'étude, afin d'intégrer l'effet de l'état physiologique de l'organisme bioindicateur, le modèle de bioaccumulation choisi suit le concept d'un modèle cinétique à base énergétique, par un couplage d'un modèle de croissance (modèle DEB : à budget énergétique dynamique) à un modèle simple d'accumulation. Afin de le paramétrer et de le calibrer, une étude cinétique d'accumulation (6 mois) et de décontamination (3 mois) a été réalisée pour cinq métaux (Hg, Cd, Pb, Cu et Zn), par la technique des transplants, sur trois sites d'étude aux potentiels trophiques et chimiques différents (Baie du Lazaret, Etang de Bages et l'île de Port-Cros). En plus de traiter de l'accumulation des métaux traces à partir de la voie dissoute et particulaire, le modèle tient compte de la biologie de l'individu et permet de quantifier l'effet de la croissance et des changements environnementaux, tant chimiques que nutritifs, sur la bioaccumulation. L'accumulation des métaux traces se fait à partir de l'eau et/ou de la nourriture alors que l'élimination se fait lors d'étapes physiologiques telles que la reproduction ou directement par excrétion dans le milieu. La contribution de la physiologie de l'organisme détermine des variables d'état tels que le soma, les réserves et le compartiment reproductif, dont les variations dans le temps influencent les cinétiques de capture et d'élimination au sein de l'organisme. Reliant par une méthode explicative les concentrations dans l'organisme à celle du milieu, le modèle permet d'évaluer la contamination effective des sites en s'affranchissant des différences physiologiques dues au trophisme. Cette application a été réalisée sur le réseau de surveillance français RINBIO par analyse inverse.

La thèse s'inscrit dans le thème "Mécanismes des précipitations orographiques" de MAP (Mesoscale Alpine Programme). Elle étudie le déclenchement et l'intensification des précipitations sur un relief exposé à un flux humide quasi-stationnaire, et examine le problème de la prévision numérique des fortes précipitations à l'échelle de quelques kilomètres. Un flux de sud à sud-ouest quasi-stationnaire caractérise la plupart des épisodes de pluies diluviennes sur les Alpes à l'automne, où de l'air méditerranéen est advecté vers le relief. Le cas de la POI (Période d'Observation Intensive) 2B de MAP est simulé avec le modèle MesoNH. Une méthode d'analyse lagrangiennne originale permet d'identifier une masse d'air sec d'échelle méso-béta sur la Méditerranée, et d'étudier son évolution et son influence sur la répartition des précipitations sur les Alpes. Les fortes précipitations sur les versants sud des Alpes sont étudiées grâce à des simulations idéalisées, où l'écoulement incident de sud ou sud-ouest est rendu uniforme et stationnaire. Les distributions obtenues, proches des données climatologiques, indiquent que les zones les plus arrosées correspondent à un forçage orographique du flux incident plus prononcé. Enfin, ces simulations permettent, à haute résolution et avec une microphysique explicite, l'identification de mécanismes de déclenchement et de développement de la convection spécifiques à la région sud-alpine - dont certains ont pu être observés pendant MAP. Ils se révèlent très complexes malgré la simplification des conditions en amont.