Cette these rentre dans le cadre du projet d'European Extremely Large Telescope (E-ELT) pour la caracterisation des sites. L'un des facteurs tres important est la turbulence atmospherique. Car c'est elle qui limite la resolution angulaire a toutes les longueurs d'onde. L'installation d'un grand telescope avec tous ses systemes complexes de correction de front d'onde par optique adaptative n ecessite une etude elaboree de l'atmosphere au-dessus du site. Plusieurs techniques permettent de mesurer les differents parametres integraux et les profils verticaux de la turbulence optique. Dans ce contexte j'ai analyse les differentes techniques de profilage atmospherique appliquees a deux sites astronomiques : La Silla le site de l'ESO au Chili et egalement le site Antarctique du Dome C, qui depuis quelques annees interesse beaucoup les astronomes. <br />L'etude de Dome C met en evidence des conditions tres particulieres (s echeresse, froid, peu de vent) qui permettent d'envisager, meme de jour, certaines observations stellaires dans des fenetres spectrales de l'infrarouge thermique qui sont inaccessibles partout ailleurs sur Terre. Pendant l'ete austral le seeing moyen est meilleur que dans les autres sites connus. Pendant l'hiver il est degrade par la presence de la couche limite qui contient parfois jusqu'a 90% de la turbulence atmospherique dans la premiere trentaine de metres. Ceci est confirme par les mesures in situ et les resultats de re-analyses. Pour la suite, il est tres important de connaitre la distribution verticale de la turbulence qu'on obtient grace aux differentes techniques de profilage atmospherique par les mesures et par la modelisation. C'est pourquoi ici, on procede a la validation comparative du modele meteorologique europeen ECMWF(European Center for Medium-range Weather Forecasts) pour Dome C qui pourra fournir les parametres d'entree pour les divers modeles de turbulence qui de leur cote permettront d'obtenir la distribution verticale de Cn2(h) et par la suite la prevision du seeing a court et long terme.<br />Dans le cadre general de la recherche des meilleurs sites pour le futur telescope europeen E-ELT, une campagne de mesures a ete effectuee en 2002/2003 a l'observatoire de La Silla de l'ESO au Chili au moyen d'un profileur a etoile double - le SCIDAR Generalise. On a obtenu, apres 5 mois d'observation, la statistique pour le seeing, l'angle isoplanetique, le temps de coherence et les profils verticaux de Cn2(h) et V(h). Ceci a permis de decouvrir plusieurs particularites importantes de ce site astronomique. Les valeurs du seeing ont ete comparees a celles mesurees par l'instrument DIMM. Les resultats de cette campagne sont tres importants pour decrire la situation turbulente au-dessus de ce site et ils sont egalement n ecessaires pour proceder a la simulation des systemes d'optique adaptative afin de determiner les limites observationnelles des futurs grands telescopes et specialement pour l'optique adaptative.

L'objectif de cette thèse est l'étude de la variabilité interannuelle en Atlantique Tropical: nous étudions les rôles des processus couplés liés à la dynamique linéaire et ceux liés à l'influence de la variabilité du Pacifique Tropical de type El Niño. Les résultats obtenus suggèrent que la variabilité associée aux propagations d'ondes de Kelvin et de Rossby joue un rôle essentiel dans l'ajustement océanique au forçage par le vent et plus généralement dans les processus couplés océan-atmosphère en Atlantique Équatorial. Les résultats de simulations couplées montrent que l'énergie dans la bande de fréquences 1-3 ans est en partie liée aux interactions locales air-mer, tandis que la variabilité associée au Pacifique Tropical domine les basses fréquences (3-7 ans). Nos résultats soulignent la complexité du système océan-atmosphère en Atlantique Équatorial, dont la prédictibilité dépend fortement de la variabilité du Pacifique Tropical et de la variabilité atmosphérique intra-saisonnière.

Au cours du XXème siècle, les mesures marégraphiques ont permis d'estimer la hausse du niveau de la mer global à 1.7 mm.a-1. Depuis deux décennies, les observations faites par les satellites altimétriques indiquent une hausse du niveau de la mer plus rapide, de 3.2 mm. a-1 sur la période 1993-2011. Grâce à leur couverture quasi-globale, les observations spatiales ont aussi révélé une forte variabilité régionale dans la hausse du niveau de la mer qui dépasse de beaucoup la hausse moyenne globale dans de nombreuses régions du globe. Cette composante régionale qui s'ajoute à la hausse globale pour donner le niveau de la mer total local, est essentielle dans l'étude des impacts de la hausse du niveau de la mer sur les régions côtières et les îles basses. Dans cette thèse, nous analysons les observations de la variabilité régionale de la hausse du niveau de la mer, nous proposons une reconstruction de cette variabilité régionale depuis 1950 (i.e. avant l'avènement de l'altimétrie spatiale) et nous étudions ses causes et ses origines. Tout d'abord, nous proposons une reconstruction de la variabilité régionale du niveau de la mer dans le passé (avant la période altimétrique) en combinant des données marégraphiques avec les structures spatiales propres de l'océan déduites des modèles d'océan. Cette méthode permet de reconstruire le niveau de la mer en 2 dimensions depuis 1950, sur la majeure partie du globe, avec une résolution proche de celle de l'altimétrie spatiale. Ensuite, nous appliquons la méthode de reconstruction pour estimer la variabilité régionale de la hausse du niveau de la mer passée dans trois régions sensibles au réchauffement climatique : le Pacifique tropical, la mer Méditerranée et l'océan Arctique. Nous en déduisons pour ces régions la hausse totale ( régionale plus moyenne globale) du niveau de la mer local au cours des dernières décennies. Pour les sites où l'on dispose de mesures du mouvement de la croûte terrestre, nous évaluons la hausse local du niveau de la mer relatif (i.e. hausse du niveau de la mer totale plus mouvement de la croûte local) depuis 1950. Le but est de permettre les études de l'impact local de la hausse du niveau de la mer aux échelles climatiques. Enfin, nous analysons l'origine de la variabilité régionale de la hausse du niveau de la mer pour déterminer si elle est due à l'activité anthropique ou si elle résulte de la variabilité naturelle du système climatique. Nous nous focalisons sur le Pacifque tropical qui est marqué par une très forte variabilité régionale de la hausse du niveau de la mer depuis 1993. Grâce a la reconstruction du niveau de la mer depuis 1950, nous montrons que cette variabilité régionale récente (17 dernières années) n'est pas stationnaire dans le temps mais qu'elle fluctue en lien avec une basse fréquence du mode de variabilité ENSO. Avec les modèles de climat du projet CMIP3, nous montrons de plus que cette variabilité régionale est essentiellement d'origine naturelle (variabilité interne du système climatique) et que l'impact anthropique y est trop faible pour l'instant pour y être détecté.

L'évolution des polluants dans l'atmosphère dépend de phénomènes variés, tels que les émissions, la météorologie, la turbulence ou les transformations physico-chimiques, qui ont des échelles caractéristiques spatiales et temporelles très diverses. Il est très difficile, par conséquent, de représenter l'ensemble de ces échelles dans un modèle de qualité de l'air. Les modèles eulériens de chimie-transport, couramment utilisés, ont une résolution bien supérieure à la taille des plus petites échelles. Cette thèse propose une revue des processus physiques mal représentés par les modèles de qualité de l'air, et de la variabilité sous-maille qui en résulte. Parmi les méthodes possibles permettant de mieux prendre en compte les différentes échelles , deux approches ont été développées : le couplage entre un modèle local et un modèle eulérien, ainsi qu'une approche statistique de réduction d'échelle. (1) Couplage de modèles : l'une des principales causes de la variabilité sous-maille réside dans les émissions, qu'il s'agisse des émissions ponctuelles ou du trafic routier. En particulier, la taille caractéristique d'un panache émis par une cheminée très inférieure à l'échelle spatiale bien résolue par les modèles eulériens. Une première approche étudiée dans la thèse est un traitement sous maille des émissions ponctuelles, en couplant un modèle gaussien à bouffées pour l'échelle locale à un modèle eulérien (couplage appelé panache sous-maille). L'impact de ce traitement est évalué sur des cas de traceurs à l'échelle continentale (ETEX-I et Tchernobyl) ainsi que sur un cas de photochimie à l'échelle de la région parisienne. Différents aspects sont étudiés, notamment l'incertitude due aux paramétrisations du modèle local, ainsi que l'influence de la résolution du maillage eulérien. (2) Réduction d'échelle statistique : une seconde approche est présentée, basée sur des méthodes statistiques de réduction d'échelle. Il s'agit de corriger l'erreur de représentativité du modèle aux stations de mesures. En effet, l'échelle de représentativité d'une station de mesure est souvent inférieure à l'échelle traitée par le modèle (échelle d'une maille), et les concentrations à la station sont donc mal représentées par le modèle. En pratique, il s'agit d'utiliser des relations statistiques entre les concentrations dans les mailles du modèle et les concentrations aux stations de mesure, afin d'améliorer les prévisions aux stations. L'utilisation d'un ensemble de modèles permet de prendre en compte l'incertitude inhérente aux paramétrisations des modèles. Avec cet ensemble, différentes techniques sont utilisées, de la régression simple à la décomposition en composantes principales, ainsi qu'une technique nouvelle appelée " composantes principales ajustées ". Les résultats sont présentés pour l'ozone à l'échelle européenne, et analysés notamment en fonction du type de station concerné (rural, urbain ou périurbain)

L'évolution libre des fluides géostrophiques turbulents bidimensionnels fait apparaitre des tourbillons présentant une grande cohérence spatio-temporelle. Les écoulements atmosphériques tridimensionnels présentent également ce genre de structures cohérentes, notamment dans les champs de tourbillon potentiel. Certains aspects de la cyclogenèse semblent gouvernés, ou très sensibles, à la position et à l'intensité de ces anomalies. Les images des satellites géostationnaires permettent par ailleurs de visualiser les signatures de ces phénomènes, appelées intrusions sèches. Une première partie du travail adapte des outils de traitement d'image à la détection et au suivi des intrusions sèches sur les images vapeur d'eau. On utilise une approche basée sur des multi-seuillages et le suivi automatisé de structures (logiciel RDT). Le développement de caractéristiques supplémentaires s'avère nécessaire afin de sélectionner les intrusions associées à des événements dynamiques importants. L'une d'entre elles utilise l'information sur le courant-jet à partir de vents d'altitude de l'ébauche. Un deuxième volet s'applique à dégager une méthodologie de correction des structures en tourbillon potentiel à partir de ces informations. L'assimilation de données conventionnelle ne permet pas d'initialiser spécifiquement les structures. Nous décrivons les méthodes alternatives et étudions les possibilités, et limitations, d'une méthodologie basée sur l'assimilation de pseudo-observations. Cela débouche en particulier sur une version renouvelée de la relation entre vapeur d'eau et tourbillon potentiel. Les outils développés sont appliqués à la prévision de la tempête des Landes (2006). L'utilisation de données de concentration d'ozone est finalement évoquée comme une méthode alternative d'initialisation du tourbillon potentiel à la tropopause

No presente trabalho utiliza-se um m´etodo multi-escala para estudar de forma te´orica as intera¸coes nao lineares entre o oceano e a atmosfera atrav´es de ressonancia onda-onda. Desenvolve-se uma hierarquia de modelos acoplados oceano-atmosfera nao lineares que foram escalonados convenientemente para representar as principais escalas de variabilidade clim´atica (i.e., intrasazonal, interanual, e decenal). A enfase dos modelos desenvolvidos foi dado para a regiao tropical. As fontes de nao linearidade inclu´das no modelo sao de dois tipos: I) nao linearidade intr´nsica (advectiva) e II) nao linearidade relacionada com os termos da f´sica e ambas sao abordadas neste trabalho. Para obter as equa¸coes que regem a dinamica de intera¸coes ressonantes a partir da hierarquia de modelos acoplados, aplicou-se um m´etodo perturbativo multi-escala. As solu¸coes sao escritas em termos de solu¸coes de ordem dominante e solu¸coes seculares. Para as solu¸coes de ordem dominante e seculares utilizam-se as fun¸coes base do problema linear, em uma aproxima¸cao do tipo Galerkin. As propriedades das fun¸coes base permitem calcular de forma anal´tica os coeficientes de intera¸cao associados com os termos nao lineares, assim como tamb´em permitem projetar estes termos nos modos de oscila¸cao natural do sistema (ressonancia). Com este m´etodo obt´em-se modelos reduzidos que permitem determinar as contribui¸coes de diversos processos para a evolu¸cao em escala lenta de um determinado modo de variabilidade natural. Para aplicar estes conceitos ao problema de acoplamento oceano-atmosfera utiliza-se como Ansatz (hip´otese inicial para a solu¸cao do problema) um tripleto composto por duas ondas atmosf´ericas e uma onda oceanica, sendo uma onda de Kelvin e de Rossby na atmosfera e uma onda Kelvin no oceano. O tripleto escolhido representa uma aproxima¸cao de v´arios fenomenos encontrados na regiao tropical, e.g. o desenvolvimento do El Nino, a intera¸cao da oscila¸cao de Madden-Julian com o oceano, a intera¸cao entre el Nino e variabilidade intrasazonal. No presente trabalho ´e mostrado que existe a ressonancia envolvendo ondas atmosf´ericas e oceanicas e que a modula¸cao em baixa frequencia produto desta ressonancia pode afetar desde escalas r´apidas sin´oticas equatoriais, intrasazonais, interanuais e at´e variabilidade da ordem de dezenas de anos. Palavras chave: Dinamica Equatorial nao linear, Intera¸coes Ressonantes, Modelos Acoplados Oceano-Atmosfera, El Nino, Oscila¸cao de Madden Julian, Oscila¸coes Decenais (Decadal) / In the present work a multiscale method is used to study resonant nonlinear wave-wave interactions between the ocean and the atmosphere. A hierarchy of coupled atmosphere-ocean models is developed using typical scalings found in the tropical region with the aim to represent some of the dominant modes of climate variability (intraseasonal, interannual and decadal). The sources of nonlinearity included into model are of two types: I) intrinsic nonlinearity (advective form) and II) nonlinearity related to physical terms. A multi-scale perturbation method is applied to obtain equations governing dynamics of ressonant interactions. The solutions are described in terms of dominant and secular solutions. For the dominant modes basis functions of the linear problem are used in a approximation of the Galerkin type. The properties of the basis functions allows the analytical computation of the interaction coefficients associated with non-linear terms and the projection into the natural oscillation modes of the system (resonance). Using this method it is possible to obtain reduced models to determine the contributions of several processes to the slow time evolution of a specific mode of natural variability. To apply these concepts to the problem of atmosphere-ocean coupling an Ansatz composed of a three waves (two atmospheric Rossby and Kelvin waves and an ocean Kelvin wave) is used. The triad chosen represents a aproximation of several phenomena found in the tropical region, e.g. desenvolving of El Nino, interaction of the Madden-Julian oscillation with the ocean, interaction between El Nino and intra-seasonal variability, etc. It is shown that system allows a resonance involving atmospheric and oceanic waves and that the low-frequency modulation resulting from these ressonance can affect the system from fast equatorial synoptic scales to decadal timescales, including the intermediate scales i.e., intraseasonal and interannual.

Les paysages ruraux et urbains sont caractérisés par une très forte hétérogénéité spatiale liée à la présence de végétation, bâtiments, clairières, routes, ..., ayant des propriétés physiques, des états hydriques et une résistance au vent très variables. Cette hétérogénéité locale des surfaces ajoutée à la topographie agissent sur les échanges entre la canopée et l'atmosphère, et donc sur les champs atmosphériques (vent, température, humidité), générant des conditions micrométéorologiques complexes sensibles à cette hétérogénéité. La modélisation des champs micrométéorologiques à l'échelle de paysages ruraux et urbains est important i) pour améliorer les prédictions météorologiques, en particulier les événements locaux, mais aussi ii) pour de nombreux domaines de la recherche environnementale liés par exemple à la climatologie urbaine, à la qualité de l'air, à la dissémination de grains de pollen transgéniques, à la stabilité des peuplements au vent, à la propagation des feux de forêt, aux échanges de CO2 entre la biosphère et l'atmosphère, etc. Ceci est d'autant plus vrai dans le contexte du changement climatique et notamment du possible accroissement des événements extrêmes aux conséquences environnementales, sanitaires et économiques lourdes. Bien que la modélisation des champs microméteorologiques ne puisse pas influer sur ce changement, elle peut être un outil pour comprendre l'impact du changement climatique sur les écosystèmes, pour explorer différents aménagements des surfaces rurales et urbaines, ou pour modifier les pratiques agricoles, afin de limiter les conséquences de ces événements extrêmes. Mes travaux de recherche au cours de ces dix dernières années ont principalement eu pour objectif de (i) développer et valider des modèles de canopées urbaine et rurale pour une meilleure simulation des champs micrométéorologiques à l'échelle paysages complexes, et (ii) d'étudier à partir de ces modèles l'impact des hétérogénéités de surface et de la petite topographie sur ces champs, sur la stabilité des arbres au vent, et sur la dispersion de pollen de maïs. Après une revue générale du contexte scientifique dans lequel mes travaux de recherche se situent, je décline mes principaux résultats de recherche suivant les quatre thématiques : 1) modélisation de la canopée urbaine, 2) dynamique du vent à l'échelle de couverts hétérogènes, 3) interaction vent-plante, et 4) dispersion environnementale de grains de pollen de maïs. Un bilan scientifique et académique est ensuite fait avant de présenter mon projet de recherche pour les années à venir.

Le modèle numérique de circulation quasi-tridimensionnel SHORECIRC, initialement prévu pour fonctionner sur des bathymétries simples, a été modifié afin de pouvoir prendre en compte les caractéristiques complexes des bathymétries réalistes de la zone littorale : trait de côte irrégulier et présence d'objets émergés. Les modifications apportées ont ´été validées par comparaison avec des résultats d'autres modèles numériques et avec des données mesurées sur plusieurs configurations. Enfin, le modèle modifié a été appliqué à l'étude de la dynamique de la circulation sur une plage sableuse à barres en festons (Plage de Leucate, Languedoc-Roussillon, FR).

Bien que la construction de représentations spatiales provienne du contact sensible des êtres humains avec leur environnement, l'utilisation de la géométrie euclidienne paraît faciliter les raisonnements sur l'espace. Cependant, lors de la navigation, il reste nécessaire de coordonner des représentations spatiales de types égo- et allocentrés pour agir et se situer. En situation de cécité la difficulté réside davantage dans la perception et l'actualisation des informations sur l'environnement que dans la compréhension des concepts spatiaux. Alors que l'absence de vision semble favoriser la construction de représentations spatiales de type égocentré, les cartes en relief couplées à des stratégies d'exploration adaptées offrent aux aveugles la possibilité de percevoir la configuration des éléments de l'environnement dans un référentiel de type allocentré. Cependant, l'actualisation de la position au fur et à mesure des déplacements reste particulièrement difficile. Les techniques de la réalité virtuelle permettent de simuler des navigations en proposant aux sujets non-voyants de s'immerger dans des environnements numériques actualisés en permanence grâce à l'utilisation d'une interface haptique et de la spatialisation du son. Afin d'atteindre cet objectif, nous avons conçu SEATOUCH, un logiciel de navigation haptique et auditif pour la préparation d'itinéraires à la voile des marins non-voyants. Une première expérience compare les représentations spatiales construites par six marins aveugles au cours de l'exploration d'une carte en relief et d'une carte virtuelle de SEATOUCH. Les résultats montrent que les représentations spatiales issues des cartes virtuelles sont équivalentes à celles issues des cartes en relief. Les cartes virtuelles permettent donc la construction de représentations spatiales non visuelles. De plus, les patterns d'explorations haptiques précisent que les meilleures performances sont obtenues par les sujets qui utilisent principalement la stratégie du point de référence. Forts de ce résultat, nous avons cherché à évaluer les intérêts de l'utilisation de la réalité virtuelle, et plus précisément de SEATOUCH, pour le transfert d'apprentissage depuis la navigation virtuelle vers la navigation réelle. Nous avons alors testé l'influence des conditions de navigations virtuelles sur la coordination des représentations spatiales de types égo- et allocentrés lorsque « le voilier se déplace sur la carte » d'une part, et lorsque « la carte défile autour du voilier » d'autre part. L'absence de différence entre ces deux conditions semble révéler une importance primordiale de l'encodage initial de la carte pour le repérage des sujets en cours d'action. Cependant, nous soulevons que les sujets qui semblent s'être perdus au cours de la navigation virtuelle présente des performances très légèrement meilleures lors de la navigation en situation naturelle. L'analyse des mouvements d'exploration sur la carte nous permet de reprendre un modèle de coordination des référentiels spatiaux issu de la littérature existante sur la cécité. Nous le précisons en l'appliquant à la tâche de préparation de navigation à la voile avec les cartes virtuelles de SEATOUCH. Outre les bénéfices immédiats de SEATOUCH pour la navigation à la voile des marins aveugles, ce travail apporte de nouveaux éléments de compréhension sur certains mécanismes de la cognition spatiale non visuelle et plus particulièrement sur la coordination des référentiels égo- et allocentrés.

Les travaux de thèse présentés s'inscrivent dans la problématique environnementale actuelle. Depuis la fin du siècle dernier, il a été constaté, que l'industrialisation et l'augmentation des émissions de polluants anthropiques en zone troposphérique, ont provoqué la mise en place de phénomènes de pollution photochimique ayant pour conséquences la détérioration de l'atmosphère et de l'environnement. L'étude suivante a pour but de mettre en place un indice de Dangerosité Potentielle de l'Atmosphère visant à prédire l'évolution chimique d'une masse d'air troposphérique et sa capacité à former et à accumuler de l'ozone selon des conditions optimales de réactivités photochimiques. L'étude, l'élaboration et l'évaluation de l'indice ont été effectuées suite au développement d'un système DPA. Ce dernier est composé, d'une part d'un réacteur de photocatalyse sur TiO2 reproduisant partiellement les réactions photochimiques troposphériques existantes et, d'autre part, de deux cellules de mesures atmosphériques basées sur des capteurs semi-conducteurs ou électrochimiques permettant de suivre chimiquement les polluants troposphériques au cours de la photocatalyse.<br />La validation du système DPA a été réalisée en se basant sur l'étude de la photocatalyse avec un polluant cible (toluène) dans une phase gazeuse constituée d'air. Les observations et résultats obtenus ont permis l'élaboration d'un premier indice DPA. Celui-ci est composé de trois sous-indices qui caractérisent respectivement la pollution de fond, la capacité oxydante de l'atmosphère et la formation ainsi que l'accumulation d'ozone. Le mode de calcul de l'indice DPA, pour être validé à l'aide de valeurs expérimentales réelles, a été adapté aux données chimiques des AASQA. Les résultats obtenus montrent que l'indice DPA peut prévoir avec une à deux heures d'avance les augmentations locales des concentrations en ozone. <br />Après développement et optimisation, l'indice DPA pourrait devenir un outil d'évaluation aussi bien des émissions polluantes urbaines ou industrielles que de la qualité de l'air intérieur.