Cette étude s'inscrit dans une problématique globale d'analyse en ligne de la composition chimique de l'Aérosol Organique Secondaire (AOS) pour une meilleure compréhension de sa formation et de son vieillissement, à travers le développement d'un spectromètre de masse à désorption thermique et ionisation chimique : le TDCIAMS. La caractérisation des performances de cet instrument, ainsi que l'étude de l'AOS formé par ozonolyse de l'a- pinène en chambre de simulation atmosphérique (CSA) ont montré que le TDCIAMS est bien adapté à l'analyse quantitative de l'AOS formé en CSA. Les données recueillies par le TDCIAMS permettent d'accéder à des informations essentielles concernant les mécanismes de formation et l'évolution de l'AOS. De plus, l'étude de l'AOS formé par ozonolyse de deux composés d'origine anthropique (2-méthylstyrène et indène), peu étudiés jusqu'alors, a été comparée avec celle réalisée par une analyse off-line (SFE-GC-MS).

Les travaux présentés portent sur les retombées atmosphériques en zone rurale et s'inscrivent dans le cadre du programme français de Mesure des Retombées Atmosphériques (MERA). Les polluants mesurés dans les stations du dispositif sont en rapport avec les problèmes des pluies acides et de la pollution photochimique. Deux tests statistiques pour détecter et estimer les tendances au sein de séries chronologiques ont été utilisés. La procédure est basée sur le test non paramétrique de Mann-Kendall pour déterminer la tendance et sur la méthode de Sen pour en estimer la magnitude. Ces tests ont été appliqués aux 5.000.000 de données MERA, annuelles, saisonnières et mensuelles sur la période 1990-2003, puis, aux émissions nationales et européennes des principaux polluants précurseurs. L'acidité moyenne des pluies, après avoir baissée au début des années 90, augmente légèrement depuis 1996 alors que les émissions de composés acidifiants diminuent. Cette observation semble être corrélée à la diminution en cations basiques, NH4+ et aux aérosols acides. Les concentrations en composés soufrés (gaz et aérosols) ont fortement diminué depuis le début des années 90 associées aux fortes réductions d'émission. Pour l'O3, une augmentation des teneurs est observée entre 1995 et 2003, associée à une diminution des émissions de précurseurs. Plusieurs facteurs peuvent expliquer cette augmentation : les changements des émissions de précurseurs, les échanges strato-troposphériques, le transport intercontinental, les changements climatiques, le rapport COV/NOx, les émissions des composés bio-géogéniques. Prochainement, des prévisions subjectives par extrapolations linéaires pourront être effectuées avec un intervalle de confiance à 99%.

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.

Depuis 1992, mon activité scientifique est axée vers l'étude des basses couches de l'atmosphère où on s'attache à comprendre et à modéliser le forçage surfacique (quantité de mouvement, flux de chaleur latent et sensible, topographie) sur la dynamique et la microphysique de l'atmosphère dans ses premiers kilomètres. Les mécanismes de transport vertical dans la couche limite atmosphérique contrôlent la qualité de l'air dans les zones urbanisées, la répartition spatio-temporelle des précipitations et le transport de la neige dans les régions montagneuses. <br />Par exemple, l'ozone troposphérique, issu d'une réaction entre hydrocarbures et oxydes d'azote alimentée par le rayonnement solaire, est un oxydant redoutable qui s'attaque à la végétation et au système respiratoire humain. Les valeurs maximums sont enregistrées dans les périphéries des villes et non dans les zones où les émissions des polluants primaires sont les plus fortes. Pour mieux prévoir (et donc à terme, mieux gérer), la dynamique des basses couches doit faire l'objet d'une attention toute particulière.<br />Il en est de même pour l'aménagement du territoire face au risque d'inondation. La réponse hydrologique à un forçage pluviométrique sera d'autant plus pertinent en terme de prévision que le signal pluviométrique précis (en quantité et en localisation).<br /><br />Ces deux problèmes sont des questions où la demande sociétale est forte, et les mécanismes qui y sont associés sont des problèmes fondamentaux qui doivent encore retenir toute notre attention. Rappelons que la Loi sur L'air et L'utilisation Rationnelle de l'Energie (dite loi Lepage, mise en application au 1er janvier 1997) stipule dans son premier article « ...Cette action d'intérêt général consiste à prévenir, à surveiller, à réduire ou à supprimer les pollutions atmosphériques... » car il "est reconnu à chacun le droit à respirer un air qui ne nuise pas à sa santé". La Loi sur l'Eau (3 janvier 1992) a pour objectif de proposer un cadre législatif pour une gestion équilibrée, en autre, « de la conservation et du libre écoulement des eaux et de la protection contre les inondations ».<br /><br />La méconnaissance de ces mécanismes liés au transport et au mélange dans les basses couches entraîne des difficultés importantes lorsque l'on souhaite proposer des outils de gestion et de prévention de la qualité de l'air ou lorsque l'on souhaite affiner les prévisions à petite échelle de la répartition spatio-temporelle des précipitations. <br /><br />Mon outil d'investigation est la modélisation non-hydrostatique tridimensionnelle de l'atmosphère. Pour les applications dédiées à l'évaluation de la qualité de l'air comme pour celles dédiées au risque d'inondation, l'imbrication d'échelles ainsi que la définition des interfaces sont des problématiques communes. A ces échelles, l'interaction sol – atmosphère est importante à bien reproduire à travers toutes les hétérogénéités que composent un sol urbain (succession de rues hétérogènes) ou un massif montagneux (délimité par un système de vallées). Le forçage des échelles supérieures doit, également, rendre compte du milieu atmosphérique non fermé et de son caractère fortement instationnaire et turbulent.<br />Je me suis attachée à comprendre les mécanismes physiques liés au transport vertical et le rôle de la stratification dans le développement de ces mouvements ainsi que les processus liés au mélange des quantités scalaires passifs (traceur) ou qui interagissent avec la dynamique (microphysique). Les échelles caractéristiques sont celles d'une vallée comme celle de Grenoble ou d'un massif montagneux comme celui des Cévennes.<br />Compte tenu du rôle important de la stratification atmosphérique dans les processus physiques étudiés et de son caractère fortement instationnaire et inhomogène en espace aux échelles proposées, il me semble raisonnable d'aborder cette thématique pour deux études dissociées où la stratification agit différemment : (i) transport d'un traceur passif dans une vallée et effet de la stratification stable, (ii) forçage topographique sur un système précipitant (stratification instable). <br />A travers ce document, je souhaiterai synthétiser ma contribution personnelle à ces questions en n'oubliant pas que ma démarche s'est enrichie des nombreuses collaborations que j'ai pu avoir avec des chercheurs confirmés et à travers les divers encadrements de jeunes chercheurs qui ont rythmé ces 10 dernières années.

Le Pacifique tropical ouest (120°E-160°W, 20°S-20°N) est une région complexe où coexistent deux écosystèmes aux frontières variables, et aux caractéristiques physiques et biologiques très différentes : la warm pool à l'ouest, écosystème oligotrophe limité par le nitrate, et la cold tongue à l'est, limitée par le fer. Nous utilisons les concentrations en chlorophylle SeaWiFS comme proxy pour la biomasse phytoplanctonique sur la période septembre 1997 à décembre 2004. Une analyse statistique nous permet de dégager les principaux modes spatiaux-temporels où se concentre la variabilité de la chlorophylle. Nous étudions ensuite successivement le cycle saisonnier, une manifestation de l'activité interannuelle et l'action des coups de vent d'ouest à l'échelle intrasaisonnière. Nous montrons ainsi que la variabilité des vents et des courants contrôle au premier ordre la biologie dans le Pacifique tropical ouest. Cette étude met également en lumière l'influence de la topographie sur la variabilité de la chlorophylle, bien au-delà des régions côtières.

Les paramètres physiques qui caractérisent les poussières sahariennes en Afrique da l'ouest pendant les mois compris entre novembre et mars de chaque année ont été déterminés sur une longue période de 7 années entre de la période 1997 et 2005. Les mesures ont été effectuées au Ghana. Les concentrations et distributions en taille des particules, le transport et les (lux de dépôt des aérosols sahariennes ont été déterminées dans un intervalle clé 0,5prn à 25pm. Les valeurs moyennées sur toute la saison d'Harmattan montrent des concentrations en nombre comprises entre 24 et 63 particules cm-3 et clés concentrations en masse comprises entre 168 et 1331 pg m-3. La taille (diamètre) moyenne (sur l'ensemble des 7 années] est clé l'ordre de 1,5 /jm. Les résultats montrent des taux de dépôt de 12,7 tonnes/km'/an en 2002 (soit une épaisseur de 4,6 /m de dépôt au sol] et de 31,4 tonnes/km2/an en 3005 (soit une épaisseur de 11¤m)

L'étude physique des enveloppes externes de la Terre est fortement influencée par leur stratification. Cette dernière permet la propagation d'ondes anisotropes appelées ondes de gravité internes. L'interaction de ces ondes avec la topographie gouverne la génération et la dissipation de ces ondes, et joue un rôle non négligeable dans le bilan énergétique global de la planète.<br />Nous avons mis au point une technique de visualisation des ondes internes par strioscopie synthétique, et mené parallèlement des expériences à grande échelle sur leur réflexion critique. Nous avons également élaboré un nouveau type d'excitateur d'ondes internes planes.<br />Ces expériences nous ont permis de valider une théorie analytique d'émission par des corps oscillants et de l'appliquer à la génération d'ondes par un talus continental. Nous avons également confirmé la présence d'effets nonlinéaires lors de la réflexion critique. Enfin, nous avons étudié l'influence de la force de Coriolis sur ces phénomènes.

La microcouche de surface (SML) correspond au premier millimètre de la colonne d'eau. Située à l'interface air-eau, la SML est un environnement unique, riche en microorganismes, en matières organiques, en hydrocarbures et présentant des conditions extrêmes par l'impact des radiations UV et les fortes concentrations de polluants. Les échantillons ont été prélevés dans la SML et dans l'eau sous-jacente (UW) à 7 stations de la Baie de Guanabara, Brésil. Cette étude a permis de caractériser l'abondance et la diversité des bactéries et des hydrocarbures présents dans la SML de la baie. L'origine des hydrocarbures a été analysée par des marqueurs chimiques par chromatographie en phase gazeuse. Sur le plan microbiologique, 43 souches bactériennes ont été isolées et identifiées. Leur résistance aux radiations UV a été évaluée à l'aide d'un simulateur solaire. La SML de la baie est bien définie par rapport à l'UW et enrichie en hydrocarbures et en bactéries. Le bactérioneuston est plus diversifié que le bactérioplancton. La plupart des souches testées sont très résistantes aux UV et sont des espèces potentiellement intéressantes sur le plan biotechnologique.

Depuis une vingtaine d'années, la qualité de la prévision de la trajectoire des cyclones tropicaux a fortement progressé mais peu d'améliorations ont été apportées à la prévision de l'intensité. Cette thèse s'intéresse aux changements d'intensité des cyclones tropicaux du sud-ouest de l'océan Indien sous l'angle original de l'activité électrique. Une première étude climatologique s'appuyant sur les données du réseau de détection d'éclairs World Wide Lightning Location Network (WWLLN) a permis de valider la qualité de ces données et de montrer que les cyclones tropicaux pouvaient être une source importante de production d'éclairs à l'échelle du bassin. À partir de ce résultat, une étude ciblée a été menée en considérant la spécificité du bassin et trois régions ont été définies (océan ouvert, région à proximité de la côte est de Madagascar et Canal du Mozambique). L'activité électrique des cyclones tropicaux dépend de la région où ils se trouvent ainsi que de leur stade d'intensité. Les éclairs semblent être un marqueur des phases d'intensification et d'affaiblissement dans certains situations. La troisième étape de cette thèse a consisté à simuler de manière idéalisée un cyclone tropical mature et a tenté d'expliquer les processus physiques à l'origine de l'activité électrique. Le modèle reproduit bien le comportement sporadique des éclairs habituellement observé. Des bilans montrent que ce cyclone présente trois phases caractéristiques, chacune associée à un comportement dynamique, microphysique et électrique différent. Enfin, une deuxième étude purement numérique a tenté d'identifier des estimateurs de l'activité électrique. Pour celà deux approches ont été adoptées : une étude globale et une étude par cellule. Dans les deux cas, les meilleurs estimateurs sont la masse totale de graupel, le volume d'updraft et le produit des flux des masses de glace précipitante et non précipitante.