Le but de ce travail est de contribuer à la compréhension des interactions entre les gaz traces et la glace, à la fois dans les nuages et dans la neige après son depôt au sol. Les gaz polaires tels que les acides, les aldehydes et les cétones peuvent interagir fortement avec la glace, notamment en s'adsorbant à sa surface. Dans les nuages, ce phénomène peut modifier la teneur atmosphérique de ces composés et initier des réactions hétérogènes, comme celles conduisant a la destruction de l'ozone stratosphérique polaire. Dans la neige au sol, l'adsorption de gaz traces à la surface des cristaux va perturber la chimie de la basse troposphère et celle du manteau neigeux. Ainsi, ce phénomène va entrer en jeu dans la compréhension de la relation entre la composition de l'air et celle de la glace, appelée fonction de transfert air-neige, indispensable pour reconstituer la composition des atmosphères passées à partir des carottes de glace. Afin de contribuer à élucider ces problèmes, nous avons etudié l'adsorption de hcl à 193 k et de l'acétone entre 193 et 213 k sur la glace. L'application des résultats à des situations atmosphériques nécessite la connaissance des paramètres physiques de la glace, tels que la surface spécifique et la forme des cristaux. Nous avons donc également entrepris des mesures de surface spécifique de la neige naturelle et de son évolution en fonction du temps. Nos résultats montrent que l'adsorption de l'acétone et de hcl sur la glace peut jouer un rôle déterminant dans la composition de surface de la glace des nuages (pour hcl) ou de la neige au sol (pour l'acétone), modifiant ainsi la chimie des nuages ou du manteau neigeux. Les mesures de l'évolution de la surface spécifique de la neige montrent que ce paramètre est très variable et que sa connaissance est indispensable pour la quantification du partage des composés traces entre l'air et le manteau neigeux, ainsi que pour l'extrapolation de ces données à la glace des nuages.

La marée interne contribue au maintien de la circulation méridienne de renversement. Il existe, à l'heure actuelle, une controverse sur la nature exacte des mécanismes pilotant cette circulation. Une meilleure quantification des apports énergétiques associés aux ondes internes permettrait d'apporter quelques clés de compréhension de ce mécanisme complexe. Dans cette thèse, différents régimes d'ondes internes topographiques inspirés par des congurations océaniques sont étudiés an d'évaluer quantitativement les transferts énergétiques associés. L'utilisation complémentaire des outils numériques et expérimentaux permet de détailler la dynamique de ces régimes de manière exhaustive. La première partie de la thèse porte sur la génération d'ondes internes linéaires par l'oscillation d'un mont Gaussien dans un fluide linéairement stratifié. L'approche choisie s'appuie sur un jeu d'expériences de laboratoire pour lesquelles la pente relative du rayon d'onde interne par rapport à la pente maximale du mont varie. Nous montrons qu'un maximum énergétique est atteint dans le régime critique pour lequel les pentes du rayon et du mont sont similaires. Dans la suite de la thèse, la dynamique d'ondes internes de forte amplitude se propageant dans des régions de fort gradient de densité, comme la pycnocline océanique, est étudiée. Nous utilisons dans un premier temps le modèle numérique Symphonie-NH pour décrire leur génération et leur dynamique, sur une configuration académique bidimensionnelle. Tout d'abord, la génération primaire d'ondes internes interfaciales est étudiée. On s'intéresse en particulier à des régimes fortement non-linéaires pour lesquelles des ondes solitaires sont observées. Elle sont induites par l'interaction directe entre la marée barotrope et la topographie et est observée dans des régimes de pycnocline de forte intensité dans l'océan, comme en mer de Sulu. La structure des ondes internes solitaires est étudiée avec des modèles analytiques simples comme l'équation KdV. En modifiant la forme du mont, un contrôle topographique important de la génération primaire d'ondes internes solitaires est observé. Un paramètre adimensionné est proposé pour décrire ce contrôle. Ensuite, la génération secondaire d'ondes internes solitaires induites par l'interaction de rayons d'ondes internes émis sur une topographie avec une pycnocline d'intensité modérée, comme dans le Golfe de Gascogne, est étudiée. Des simulations numériques directes sont effectuées pour décrire la dynamique des ondes internes solitaires, et leur atténuation par radiation d'énergie dans la couche inférieure. L'évolution de la structure des modes normaux en fonction de l'intensité de la pycnocline, et le rôle joué par la forme du mont sont détaillés. Des expériences sont menées pour étudier la génération primaire et la génération secondaire d'ondes internes solitaires dans le grand canal du CNRM-GAME. Une configuration expérimentale utilisant un mont sinusoïdal oscillant dans la couche inférieure, stratifée ou non, d'un fluide bicouche est adoptée. Cette configuration, inspirée des simulations numériques précédentes, permet d'explorer une gamme plus large de régimes d'ondes interfaciales. Des mesures de déplacement interfacial avec des sondes à ultrasons d'une part, et avec des mesures optiques d'autre part, permettent de discuter la dynamique, et la structure tridimensionnelle de ces ondes. La structure des ondes internes solitaires dans le cas de la génération primaire apparaît plus stable que pour la génération secondaire. Dans ce deuxième cas, des structures transverses régulières sont mesurées.

Les océans Pacifique et Indien tropicaux se partagent la plus grande étendue d'eau chaude et de convection profonde de la planète. Cette région est le siège de la branche ascendante de la circulation de Walker, circulation atmosphérique d'échelle planétaire parfois décrite comme la " machine thermique " de la Terre. Cette région, dont les répercussions sur le climat sont importantes, est aussi source de variabilité océanique et atmosphérique aux échelles intrasaisonnières et interannuelles . En effet, la variabilité interannuelle associée à El Niño, dans l'océan Pacifique, et - dans une moindre mesure - au dipôle de l'Océan Indien (DOI) ont des conséquences climatiques marquées sur les pourtours de ces bassins et à l'échelle du globe. La variabilité intrasaisonnière liée à l'oscillation de Madden-Julian (OMJ) a également des conséquences climatiques marquées : modulations des moussons indiennes et australiennes et un rôle potentiellement important dans le déclenchement d'ENSO. Dans ce mémoire, je vais décrire mes travaux de recherche sur la variabilité océanique et atmosphérique aux échelles intrasaisonnière et interannuelle dans les Océans Indien et Pacifique. El Niño ou le DOI sont des modes couplés : c'est la rétroaction positive découlant des interactions océan-atmosphère qui est source de variabilité (le " Bjerknes feedback "). À l'échelle intrasaisonnière, le rôle du couplage océan-atmosphère semble moins primordial, et modifie seulement des modes de variabilité essentiellement atmosphériques ou océaniques. Par exemple, les ondes d'instabilité dans le Pacifique Est sont le résultat d'une instabilité interne océanique. Cependant, elles affectent la stabilité atmosphérique, les vents de surface, et cela tend à réduire légèrement leur activité. À l'inverse, l'OMJ est un phénomène dont la source est atmosphérique, naissant du couplage entre dynamique et convection dans les tropiques. Toutefois, nous verrons que ce phénomène a une réponse océanique forte dans l'Océan Indien, à la fois en termes de dynamique et de thermodynamique. Le degré d'influence du couplage dans les propriétés de l'OMJ reste toutefois une question largement ouverte. Nous nous intéresserons aussi à la question des interactions entre ces différents modes de variabilité. Nous verrons par exemple comment la variabilité intrasaisonnière atmosphérique peut déclencher un El Niño, comment El Niño peut supprimer l'activité des ondes tropicales d'instabilité et l'effet retour, comment le DOI module l'activité de l'OMJ et enfin, quelles sont les interactions entre DOI et El Niño. Je présenterai alors une région de l'Océan Indien assez emblématique de ces interactions d'échelle, et dans laquelle j'ai développé une activité d'observations (campagnes océanographiques Cirene de 2005 à 2008 et projet de campagne TRIO). La bande 5°S-10°S dans l'Océan Indien est une région très particulière. En raison de la structure des vents, la thermocline y est proche de la surface et la couche de mélange est peu profonde, ce qui induit une forte réactivité de la température de surface aux sollicitations de l'atmosphère. De plus, la température de surface en hiver boréal est proche du seuil de convection, impliquant une sensibilité accrue de l'atmosphère à de petites variations de température. Ces deux facteurs augmentent le couplage océan atmosphère dans cette région qui a une variabilité très marquée aux échelles synoptiques (cyclones), intrasaisonnières (OMJ) et interannuelle (réponse à El Niño, mais aussi au DOI). Cette région a enfin des conséquences climatiques marquées (sur l'intensité des pluies de la mousson suivante, sur le nombre de cyclones dans le secteur La Réunion-Madagascar, sur la convection au-dessus du continent maritime, et même sur l'Amérique du Nord). Pour conclure, je présenterai ma réflexion sur mes axes de recherches futurs, ainsi que mes projets en termes de campagnes et réseaux d'observations.

Monsoons and Intertropical Convergence Zones (ITCZ) exhibit variability at various temporal and spatial scales. The temporal scale of variability encompasses scales from the intraseasonal through interannual to interdecadal time scales. Anthropogenic climate change can also have an impact on ITCZ and monsoons. Thus it is necessary to assess the ability of coupled ocean atmospheric models (commonly known as AOGCM) to simulate these aspects of variability of tropical climate. This has been studied with simulations from 20 AOGCMs and their AGCM from IPCCAR4 archive. In addition, we have used our own 100 year simulation with CCSM2 and also simulations with its AGCM viz. CAM2. Our analysis shows that most model have significant bias in tropical rainfall and SST. Most models underestimate SST except over a few regions such as the Eastern boundaries of Atlantic and Pacific Oceans. The AGCMs which are forced with observed SSTs have much higher annual mean rainfall as compared to AOGCMs. There is a strong correlation between error in shortwave reflectance at the top of the atmosphere and error in SST. The ability of coupled ocean-atmosphere models and their atmosphere-alone counterparts to simulate the seasonal cycle of rainfall over major monsoon regions and also over oceanic ITCZ. It is found that over the Indian monsoon region, most AGCMs overestimate the seasonal cycle while AOGCMs have a more realistic seasonal cycle. This inspite of the fact that most AOGCMs underestimate the SST over the Indian region. It is shown that this is related to errors in precipitable water-rainfall relationship in most models i.e. for a given amount of precipitable water, most models overestimate the rainfall. Thus lower SST reduces the precipitable water and hence the amount of rainfall is reduced. Therefore, the mutual cancellation of errors leads to a more realistic seasonal cycle in AOGCMs. The seasonal cycle over Africa was analysed with the help of a diagnostic model. Over Southern Africa, most models show simulate a less stable atmosphere and hence the rainfall is overestimated. A technique based on Continous Wavelet Transform in Space and Time (CWTST) has been modified to seperate northward and southward propagating modes of BSISO over the Indian and West Pacific regions. It was seen that over the Indian region, northward propagating modes were more prominent in comparison to southward modes. It was also found that the predominant spatial scale (of about 30o) did not show much interannual variability but the associated temporal scale showed significant variation. Both AOGCMs and AGCMs simulations were analysed to investigate the impact of coupling on intraseasonal activity. Most AOGCMs were able to simulate the predominant spatial scale but were unable to simulate the associated temporal scale correctly. These problems persisted with AGCMs also. It was also found that for AGCMs, there were some variations between ensemble members of the AGCMs. Comparing BSISO in increased GHG scenarios with present day simulations we found that in general, power in the spectrum increases. This could be related to higher mean precipitation that has been simulated by most AOGCMs when GHG are increased. The interannual variability in the tropics with special reference to Tropical Biennial Oscillation (TBO) and ENSO has been studied. The changes in these modes of variability due to anthropogenic climate change has also been assessed. We found that in most models over the Nino3.4 region, the mode of variation shifts from a near-four period (in pre-industrial simulations) to that of TBO mode in increased GHG (green house gas) scenario. This suggests that with increasing GHGs, ENSO quasi-periodicity might shift to about two years. It is also interesting to note that for observed rainfall, OLR and 850 hPa winds, the TBO mode has higher variance over the Eastern Indian Ocean, indicating that the TBO mode might be related to Indian Ocean Dipole Mode and EQUINOO (Equatorial Indian Ocean Oscillation).

La Méditerranée nord-occidentale est affectée par des épisodes de pluie intense, prin- cipalement durant l'automne. L'objectif de la thèse était de mieux comprendre la relation entre les caractéristiques de l'environnement météorologique de méso-échelle et la lo- calisation et l'intensité de ces systèmes fortement précipitants, en étudiant les différents mécanismes de déclenchement et d'entretien de la convection profonde. Cette relation a d'abord été étudiée au moyen de simulations idéalisées de systèmes convectifs quasi-stationnaires affectant la région Cévenole. Des expériences de sensibilité aux caractéristiques du flux marin en terme d'humidité et de vitesse ont permis d'étudier les mécanismes expliquant la localisation du système précipitant. Les résultats de cette étude idéalisée ont ensuite été confrontés au cas des inondations du Var du 15 juin 2010. Un ensemble conséquent de simulations numériques a été réalisé afin d'obtenir la meilleure simulation de l'évènement permettant l'étude des mécanismes à l'origine du système précipitant quasi-stationnaire observé sur le Var.

Dans un contexte de réchauffement climatique où un été sur deux pourrait être similaire à l'été 2003, plusieurs études ont mis en lumière l'importance de la sécheresse et du couplage surface-atmosphère dans l'amplification et le maintien des fortes températures lors d'une canicule. Au cours de cette thèse j'ai développé une nouvelle méthode de classification des canicules d'après leurs structures spatiales dans la zone Euro-Méditerranée. Les méthodes de classification, généralement conçues pour classer un grand nombre d'évènements, ont été adaptés aux évènements rares en introduisant trois critères portant sur la température et l'extension spatio-temporelle de la vague de chaleur. Cette méthode a permis d'extraire six classes distinctes de canicules. Mon analyse de processus s'est focalisé par la suite sur l'une de ces classes localisé en Europe de l'ouest. Un ensemble d'expérinces numériques de sensibilité a permis de mettre en évidence la contribution du déficit hydrique du sol sur l'amplitude des canicules. Différents comportements sont observés, en plaine la température dans la couche limite atmosphérique est largement contrôlé par la convection à l'échelle locale. Sur les zones côtières et montagneuses, les circulations de méso-échelle de type vent de pente et brises de mer contribuent à atténuer considérablement la canicule en favorisant l'advection d'air frais et humide et la formation de précipitations. L'effet de la végétation sur l'amplitude des canicules a par la suite été analysé. Pour ce faire, j'ai développé des outils de modélisation couplant dynamique atmosphérique et dynamique de la végétation qui ont permis de mieux comprendre les processus de conditionnement des canicules et sécheresses en Europe de l'ouest. Ce développement s'inscrivait dans un cadre plus large de mise en place d'un modèle du système climatique régional entrepris à l'Institut Pierre Simon Laplace (IPSL) au sein du projet MORCE-MED. Ce volet de ma thèse est le plus original car peu exploré dans la littérature. De par ces outils j'ai pu tout d'abord montré qu'inclure une végétation interactive dans un modèle atmosphérique régional permettait de simuler les modifications du cycle phénologique qui contrôle le développement de la végétation et l'évapotranspiration. Appliquée aux canicules de juin et août 2003, j'ai montré que la prise en compte d'une végétation interactive atténuait l'amplitude de la canicule de juin et accentuait celle d'août. Enfin, dans un contexte plus applicatif, j'ai évalué l'effet d'un changement d'usage des sols pouvant permettre d'atténuer les effets de ces canicules sur l'homme. Dans une démarche préliminaire, j'ai remplacé les surfaces anthropisées (essentiellement surfaces agricoles) par des forêts et prairies. Là aussi, les effets constatés ont été plus contrastés qu'anticipées, avec une atténuation de la canicule de juin et une accentuation de la canicule d'août avec une variabilité spatiale forte à méso-échelle.

La grande extension méridienne et la faible profondeur du plateau de Kerguelen en font un obstacle majeur à l'écoulement zonal du Courant Circumpolaire Antarctique (CCA) dans le secteur indien de l'océan austral. Tandis que la majorité du transport du CCA est dévié au nord des îles Kerguelen, le reste ( 50 x 106 m3 s1) doit passer plus au sud, probablement par les passages profonds du Fawn Trough (56°S, 77°E, 2650 m) et du Princess Elizabeth Trough (64°S, 82°E, 3650 m). Pourtant, le détail de la circulation autour du plateau est longtemps resté méconnu, en raison des di cultés à récolter des données dans cette région éloignée de toute route commerciale, d'un climat particulièrement rude et de la présence de la banquise recouvrant la moitié du plateau en hiver. L'objectif de cette thèse est d'améliorer notre connaissance de la circulation moyenne autour du plateau de Kerguelen. Pour cela, un large éventail d'outils allant de l'analyse d'observations récentes à l'utilisation de modèles numériques de circulation a été utilisé. Les données obtenues à l'aide d'éléphants de mer instrumentés sont présentées en détail. Une procédure de calibration et de validation de ces pro ls hydrologiques est proposée. Ce jeu de données, constitué d'un grand nombre de sections à haute résolution spatiale, est ensuite combiné avec d'autres observations plus conventionnelles (in situ et satellites) pour construire un nouveau schéma de circulation dans la région. L'existence d'un courant intense traversant le passage du Fawn Trough est alors mise en évidence. Les observations directes du courant du Fawn Trough pendant la campagne récente TRACK (resp. : Y.-H. Park) con rment l'importance de ce courant, qui concentre plus de 40 x 106 m3 s1, soit 30 % du transport total du CCA. La connaissance de la circulation développée à partir des observations est ensuite utilisée pour valider une simulation au 1/4° de résolution (ORCA025-G70, Barnier et al., 2006). A l'aide de tests de sensibilité sur une con guration régionale de l'Océan Indien Sud, l'importance d'une bonne représentation des caractéristiques des masses d'eau profonde et de la bathymétrie pour obtenir une simulation réaliste est mise en évidence. Finalement, une analyse dynamique de la simulation est menée, montrant comment la circulation résulte d'une combinaison des e ets de la bathymétrie et du vent au travers de la balance de Sverdrup topographique. En forçant le passage d'une partie du CCA au niveau de la divergence antarctique (entre 60°S et 65°S), là où le pompage d'Ekman est maximal, le plateau de Kerguelen favorise une intense remontée vers la surface des isopycnes sud du CCA. Ainsi, paradoxalement, le plateau de Kerguelen pourrait être une des principales zones d'accélération du CCA.

Les apports atmosphériques sont suspectés de jouer un rôle important dans les processus biogéochimiques des régions océaniques HNLC. Des échantillons de dépôt atmosphérique total et d'aérosols ont été collectés en continu entre 2009 et 2010 dans l'océan austral indien, aux îles Kerguelen et de Crozet. Ils ont été mesurés par HR-ICP-MS. Les concentrations en surface des aérosols terrigènes sont basses et ne peuvent rendre compte des flux de dépôt de poussières qui sont plus élevés que ceux précédemment observés pour la région mais qui restent en adéquation avec les modèles atmosphériques. Le calcul des coefficients d'abattement suggère que l'aérosol mesuré en surface n'est pas représentatif de celui qui va générer le dépôt et qui est présent plus haut dans la colonne troposphérique, ce qui interdit ici l'estimation du flux à partir de ces mesures. Les flux de dépôt ont été établis pour une large gamme d'éléments identifiés comme venant de source terrigène ou marine. Pour certains d'entre eux (Pb, As, ...), une contribution anthropique a été observée pendant l'hiver austral. Les flux des éléments crustaux Al, Fe, Mn et Si sont similaires pour Kerguelen et Crozet ; ceux des autres éléments non marins sont différents d'un facteur deux à cinq avec un gradient décroissant de Crozet aux Kerguelen. Les rapports isotopiques de plomb montrent que le dépôt reçu aux Kerguelen provient principalement d'Amérique du sud ; le dépôt à Crozet semble fortement influencé par les apports africains. Les profils de REE pourraient confirmer ces observations. Les concentrations de métaux sont très basses dans les pluies avec une solubilité très élevée.

La variabilité temporelle de la macrofaune benthique en réponse à son environnement sédimentaire a été étudiée à travers une approche temporelle hiérarchisée, les trois échelles temporelles sélectionnées correspondant à trois constats sédimentologiques : (i) le comblement pluri-annuel de l'estuaire, (ii) la variabilité saisonnière de la couverture sédimentaire, et (iii) les remodelages sédimentaires induits par le système macrotidal. Cette étude a permis dans un premier temps de distinguer un faciès du peuplement des sables fins plus ou moins envasés, riche, diversifié et stable dans la zone la plus avale. En revanche, plus en amont, prennent place des faciès d'appauvrissement dont les cortèges spécifiques soulignent le caractère écotonal de ces secteurs internes, et les frontières imprécises et fluctuantes témoignent d'une forte variabilité temporelle de leurs structures. Cette étude a dans un second temps, mis en évidence la faible influence de la dynamique sédimentaire sur celle des peuplements, soulignant ainsi la difficulté à évaluer les relations « faune - sédiment » sur le seul critère de la taille des particules.<br />En vue de comprendre les relations entre les peuplements macrobenthiques et le fonctionnement du système, la contribution de la faune aux processus géochimiques à l'interface eau-sédiment a été étudiée à travers l'estimation des flux d'irrigation d'ammonium et d'oxygène. Si les premiers sont apparus comme de mauvais marqueurs de l'activité macrobenthique, les seconds ont pu être corrélés aux caractéristiques de la macrofaune. Toutefois, selon les densités et les paramètres faunistiques considérés (richesse spécifique, régime trophique, type de bioturbation), trois hypothèses « diversité biologique – fonctionnement du système » peuvent s'appliquer à l'estuaire de la Seine (idiosyncrasie, rivet-pop et diversité-stabilité). Il est par conséquent difficile d'établir une loi unique de fonctionnement du compartiment macrobenthique de cet estuaire.<br />Les études expérimentales dévelopées en méscosmes ont montré de facon surprenante une réponse temporelle variable de la marofaune à des dépôts sédimentaires. En effet, quels que soient la nature, l'épaisseur, la stabilité et le temps de résidence des dépôts sédimentaires, la perturabation de l'habitat induit une mortalité significative de la macrofaune en période hivernale tandis qu'en période printano-estivale, sa survie n'est pas menacée. La fréquence des modifications sédimentaires que connaît la macrofaune de l'embouchure de l'estuaire de la Seine pourrait être à l'origine de sa réactivité et de ses capacités de résistance.

Cette thèse constitue une contribution à la modélisation numérique diphasique du transport sédimentaire en milieux côtiers et estuariens. L'approche diphasique diffère de l'approche dite classique en résolvant des équations de conservation de la masse, de la quantité de mouvement et de transport pour l'énergie cinétique turbulente séparément pour chaque phase. Les interactions entre le fluide et les particules sont alors représentées par des termes de transfert entre les deux phases. Le travail présenté dans cette thèse porte essentiellement sur la modélisation de la turbulence dans les écoulements diphasiques fluide particule.<br /><br />En terme de résultats, nous montrons que l'approche développée est capable de reproduire quantitativement les principaux processus mis en jeu dans le transport sédimentaire de particules non cohésives : la sédimentation et la dispersion turbulente des particules en milieu dilué. Le modèle développé confirme l'existence d'une différence de vitesse horizontale entre les particules et l'eau. Il simule les effets de dispersion des particules par le mouvement turbulent du fluide et l'atténuation de l'énergie cinétique turbulente du fluide due à la présence des particules. Une autre originalité de ce travail est de proposer un modèle diphasique à surface libre, bidimensionnel vertical, pour la simulation du transport sédimentaire. Nous avons identifié des lacunes entre les théories et les expériences notamment pour la simulation de la turbulence en écoulement dense. Nous proposons des solutions pour améliorer la simulation du comportement de matériaux cohésifs. Une tentative de simulation hydrosédimentaire sur l'estuaire de la Seine est présentée. Le phénomène de bouchon vaseux est qualitativement reproduit par le modèle sans qu'aucune loi d'érosion ou de dépôt ne soit imposée.