En se basant sur un niveau océanique constant, les études des nappes côtières ne considèrent généralement pas l'impact des forçages océaniques. Notre approche combine le suivi à long terme de la « Nappe des Sables » de l'Ermitage (en arrière d'un récif frangeant, La Réunion) avec la réalisation de modèles numériques dans le but de tester l'influence des de ces forçages sur l'évolution de la piézométrie, du front dispersif et des flux transitant le long de la limite océanique. En mettant en parallèle le comportement de la nappe et du domaine océanique (récif), ces travaux présentent l'étude comparative la plus complète d'un système côtier, basée sur un enregistrement en continu d'environ 600 jours. Il apparaît que la géométrie du modèle et les paramètres hydrodynamiques choisis, associés à différents types de forçages océaniques, ont des conséquences variables sur la piézométrie, le front dispersif et les flux. Ainsi, les différentes définitions de limite océanique testées sur des simulations reproduisant la période de suivi montrent que la prise en compte d'une limite océanique complexe en régime transitoire sur cette période génère une meilleure reproductibilité des signaux enregistrés (piézométriques et salinité) que lorsque l'on utilise un niveau océanique moyen constant dans les modèles. Ces résultats mettent en évidence qu'une bonne compréhension des mécanismes hydrodynamiques au sein des nappes côtières implique la mise en place d'un suivi à long terme des phénomènes de forçage océanique qui agissent directement sur la nappe. La caractérisation des différents forçages océaniques nécessite de décomposer le signal global, dont l'analyse en harmonique permet d'identifier les contributions respectives des oscillations périodiques et homogènes de marée et des oscillations brusques et ponctuelles liées à la houle. La modélisation met ici en évidence qu'il est indispensable que la complexité du système naturel soit reproduite de manière réaliste dans les futures études des nappes côtières. Dans cette optique, la combinaison des données hydrogéologiques et océanographiques dans des environnements côtiers où ces approches n'ont, jusqu'à présent, jamais été couplées, permettra de quantifier l'impact des forçages océaniques sur ces milieux. / Studies of coastal aquifers based on a constant mean sea level generally not consider the impact of oceanic oscillations. Our approach combines a long-term recording of “La Nappe des Sables” (adjacent to the fringing reef system of l'Ermitage, La Reunion) with numerical models in order to investigate the influence of these oceanic seasonal oscillations on groundwater hydrodynamics, seawater intrusions and submarine groundwater discharges. Analyzing both the behavior of the aquifer and the oceanic domain (reef), this study integrates a continuous recording of 600 days. It shows that the geometry and the hydrodynamic parameters chosen in the model, correlated to three types of oceanic oscillations, have variable consequences on the hydraulic head, the dispersive front and submarine groundwater discharges. Moreover, taking into account different complex oceanic boundaries in transient simulations over this 600 days period generates a better reproducibility of recorded signals (hydraulic head and salinity). These results underline that a long-term recording of oceanic oscillations is necessary for a good understanding of hydrodynamic mechanisms within coastal aquifers. The global signal must be decomposed with a harmonic analysis in order to identify the respective contributions of wave set up and tidal pumping to this signal. Our models reveal that the complexity of the natural system must be accounted for realistically in future numerical studies. The combination of hydrogeological and oceanographical data will allow the quantification of the impact of oceanic seasonal oscillations on such environments.

This thesis documents a collection of experimental investigations in which a differentially-heated annulus was used to investigate the effects of topography on the atmospheric and oceanic circulation. To this end a number of experiments were devised, each using a different topographic base to study a different aspect of the impact of topography, motivated by the most notable outstanding questions found in a review of the literature, namely exploring the effects of topographic resonance, blocking via partial barriers, and azimuthally differential-heating via thermal topography. First of all, whilst employing sinusoidal wavenumber-3 topography to extend the experimental parameter space of a similar study, namely Read and Risch (2011), a new regime within a region of structural vacillation was encountered. Denoted as the ‘stationary-transition’ regime, it featured periodic oscillations between a dominant stationary wavenumber-3 flow and axisymmetric or chaotic flow. An investigation into topographic resonance followed, keeping the wavenumber-3 base, but with a sloped lid to add a beta effect to the annulus. This acted to increase the occurrence of stationary waves, along with the ‘stationary-transition’ regime, which was discovered to be a near-resonant region where nonlinear topographic resonant instability led to a 23 to 42 ‘day’ oscillatory structure. The base was then replaced with an isolated ridge, forming a partial barrier to study the difference between blocked and unblocked flow. The topography was found to impact the circulation at a level much higher than its own peak, causing a unique flow structure when the drifting flow and the topography interacted in the form of an ‘interference’ regime at low Taylor Numbers, as well as forming an erratic ‘irregular’ regime at higher Taylor Numbers. Lastly, this isolated ridge was replaced by flat heating elements covering the same azimuthal extent, in order to observe whether thermal topography could be comparable to mechanical topography. These azimuthally-varying heating experiments produced much the same results as the partial barriers study, despite the lack of a physical peak or bottom-trapped waves, suggesting that blocking is independent of these activities. Evidence of resonant wave-triads was noted in all experiments, though the component wavenumbers of the wave-triads and their impact on the flow was found to depend on the topography in question.

Les teneurs en éléments majeurs et trace, les isotopes Sr-Nd-Pb, les teneurs en H2O et l’isotope de l’O des phénocristaux de cpx des basaltes cénozoïques de 11 sites du Sud Est Chinois situés dans des contextes géodynamiques variables ont été mesurés pour identifier les différents composants faisant partie de leur source. Les basaltes Cénozoïques de Zhejiang se sont mi en place durant deux périodes, 20-27Ma et après 11Ma. Leurs teneurs en H2O varient de 1.3-2.6%. Les basaltes Cénozoïques du Fujian ont fait éruption il y a moins de 10 Ma. Le teneurs en H2O initial des basaltes de Shiheng s’étend de 1.3-2.4%; les diabases de Bailin ont des teneurs s en eau estimés de 1.9-2.1%, et ceux de Mingxi des teneurs es initiaux de 0.3-0.5%. Les teneurs en H2O des basaltes de sont de 1.3-2.6%. Les basaltes de Xilong (Zhejiang), Mingxi (Fujian) et Leihuling (Hainan) ont des sources mantelliques contaminées par de la croûte océanique recyclée, ceux de Gaoping et Shuangcai (Zhejiang), Shiheng, Bailin et Niutuoshan (Fujian) et Maanling, Dayang et Fujitian (Hainan) voient leurs sources mantelliques contaminées par à la fois des sédiments et la croûte océanique recyclés. Les matériaux recyclés diffèrent suivant l’âge et la localisation. En résumé, les basaltes cénozoïques SE chinois ont des signatures élémentaires et isotopiques marquées par la présence de matériaux océaniques recyclés dans leurs sources mantelliques. Les matériaux recyclés varient entre les différentes localités, tant dans leurs proportions que leur degré d’évolution. Nos résultats montrent que la plaque subductée Ouest Pacifique affecte probablement la composition du manteau sous continentale du Sud Est Chinois / The major and trace element contents, Sr-Nd-Pb isotope, H2O contents and the cpx phenocryst O isotope of Cenozoic basalts from 11 places with distinct geological backgrounds in SE China have been measured to decipher the relationship between the possible recycled components and mantle geochemical heterogeneities. Zhejiang basalts erupted in two stages, 20-27Ma and after 11Ma. Their H2O contents range from 1.3-2.6%. The estimated H2O contents of initial basaltic melts for the Shiheng basalts range from 1.3-2.4%; the Bailin diabases have “fake” basaltic melt water contents from 1.9-2.1%; and the Mingxi basalts have initial H2O contents of 0.3-0.5%, in Fujian. H2O content the basalts from Leihuling (LH), Dayang (DY) and Fujitian (FJT) areas in Hainan are 2.7 wt. %, 1.3 wt. %, and 2.6 wt. %. The Xilong basalts from Zhejiang, Mingxi basalts from Fujian and Leihuling basalts from Hainan involved recycled oceanic crust components in the mantle source, while the Gaoping and Shuangcai basalts from Zhejiang, Shiheng, Bailin, and Niutoushan basalts from Fujian as well as the Maanling, Dayang and Fujitian basalts from Hainan involved recycled oceanic sediments and crust components in their mantle source. Overall, the SE China Cenozoic basalts have involved the recycled oceanic materials in their mantle source. The recycled oceanic materials have different existential state and locations, when the geological history of SE China are considered. The subducted Pacific slab most likely effect the composition of mantle in SE China

The cloud and haze properties in the troposphere and stratosphere of Saturn are investigated in this thesis by analysing Cassini/VIMS spectra at 0.8-3.5 μm and 4.5-5.1 μm. The aerosol properties are derived from VIMS data by using the retrieval tool NEMESIS developed at the University of Oxford. Near-infared VIMS data between 4.5 and 5.1 μm are mainly sensitive to deeper tropospheric levels down to approximately 5 bar. At such pressure levels, thermochemical models predict the formation of condensed clouds made of ammonia and ammonium hydrosulphide ices, although none of these species has been spectrally detected so far. In addition, phosphine and ammonia are responsible for most of the gaseous absorption at these wavelengths. Therefore, the cloud properties and gas distributions can be retrieved from VIMS near-infared spectra. In this thesis, the analysis of limb-darkening data at 4.5-5.1 μm is performed in order to constrain the aerosol properties in Saturn’s atmosphere. The best-fitting model consists of a scattering cloud between 2 and 3 bar, and a scattering haze layer which can be placed anywhere between 10 and 500 mbar. The composition is still poorly constrained for both the deep cloud and haze layer. The haze physical and optical properties can however be independently retrieved from VIMS near-infrared spectra at shorter wavelengths in the 0.8-3.5 μm spectral range. Saturn’s hazes in the troposphere and stratosphere reflect the sunlight at 0.8-3.5 μm. The properties and vertical structure of tropospheric and stratospheric hazes are then investigated from VIMS reflection spectra in the near-infared. The latitudinal variation of haze properties is compared to a thermal feature known as "the temperature knee", corresponding to a local increase of temperature right below the tropopause. The north-south temperature variations in the troposphere are obtained from the analysis of thermal infrared data measured with the Composite InfraRed Spectromete (CIRS) instrument on board Cassini. Finally, VIMS near-infrared data at 0.8-3.5 and 4.5-5.1 μm are combined in order to obtain a cloud and haze model coherent with both wavelength ranges.

The determination of the mechanisms setting the strength and structure of the large scale circulation is a fundamental and long-standing problem in physical oceanography. In this thesis, we seek to explore the mechanisms contributing to the steady state and variability of the large scale flow, with a focus on better understanding the dynamics of the Atlantic meridional overturning circulation (AMOC). In the first part of this thesis, we explore the linear sensitivity of the monthly mean subtropical AMOC to surface fluxes of buoyancy and momentum. Our approach is to use a numerical adjoint. Key insights are provided into the memory of the AMOC to historic atmospheric forcing. We find that significant memory to wind forcing is confined to timescales of less than a year. In contrast, we identify significant memory to surface buoyancy forcing spanning multi-decadal timescales and characterised by a large scale oscillation in the sign of sensitivity between the eastern and western North Atlantic basin. An important result is that to understand the origins of seasonal variability in the modelled AMOC, we must examine the response to a multidecadal history of atmospheric forcing. In the second part of this thesis, a new tool is presented that enables a clean diagnosis of the force balance controlling the circulation regime for a Boussinesq fluid. Specifically, the tool is based on the development of the "rotational momentum" equations and sets of scalar "velocity potentials" and analogous "force functions". The latter allow the projection of all forces onto the acceleration of the vertical shears and external modes of overturning to be visualised in isolation. The rotational momentum decomposition is applied to the modelled circulation in idealised Atlantic and global configurations of the MITgcm, with a focus on elucidating the dynamics of the simulated AMOC. We discuss the key role played by the rotational buoyancy forcing right on the western boundary.

Aerosols are thought to have a large effect on the climate, especially through their interactions with clouds. The magnitude and in some cases the sign of aerosol effects on cloud and precipitation are highly uncertain. Part of the uncertainty comes from the multiple competing effects that aerosols have been proposed to have on cloud properties. In addition, covariation of clouds and aerosol properties with changing meteorological conditions has the ability to generate spurious correlations between cloud and aerosol properties. This work presents a new way to investigate aerosol-cloud-precipitation interactions while accounting for the influence of meteorology on cloud and aerosol. The clouds are separated into cloud regimes, which have similar retrieved cloud properties, to investigate the regime dependence of aerosol-cloud-precipitation interactions. The strong aerosol optical depth (AOD)- cloud fraction (CF) correlation is shown to have the ability to generate spurious correlations. The AOD-CF correlation is accounted for by investigating the frequency of transitions between cloud regimes in different aerosol environments. This time-dependent analysis is also extended to investigate the development of precipitation from each of the regimes as a function of their aerosol environment. A modification of the regime transition frequencies consistent with an increase in stratocumulus persistence over ocean is found with increasing AI (aerosol index). Increases in transitions into the deep convective regime and in the precipitation rate consistent with an aerosol invigoration effect are also found over land. Comparisons to model output suggest that a large fraction of the observed effect on the stratocumulus persistence may be due to aerosol indirect effects. The model is not able to reproduce the observed effects on convective cloud, most likely due to the lack of parametrised effects of aerosol on convection. The magnitude of these effects is considerably smaller than correlations found by previous studies, emphasising the importance of meteorological covariation on observed aerosol-cloud-precipitation interactions.

Les nuages noctulescents, également appelés nuages mésosphériques polaires (PMC) lorsqu'ils sont observés depuis l'espace, sont la manifestation visible de petits cristaux de glace d'eau pré- sents en permanence dans la région de la mésopause, l'été à hautes latitudes. Il s'agit de l'endroit le plus froid que l'on peut trouver sur Terre. En raison de l'extraordinaire altitude à laquelle ils se forment (∼83 km), à la frontière de l'espace, ils illuminent le ciel nocturne après le coucher du Soleil. De plus, leur grande sensibilité aux changements subis par leur environnement fait de ces nuages d'excellents traceurs des processus dynamiques et chimiques complexes qui contrôlent la mésosphère. GOMOS est un instrument dont le fonctionnement est basé sur la technique de l'occultation stellaire. Il est constitué de 4 spectromètres qui opèrent sur un large domaine spec- tral (UV-vis-proche IR), et de 2 photomètres à haute fréquence d'échantillonnage (470-520nm et 650-700nm). Lors des observations de jour, en plus de la lumière de l'étoile, GOMOS mesure aussi la lumière solaire diffusée par les molécules de l'atmosphère. L'été, au-dessus des pôles, les PMC peuvent être détectés de manière précise à partir du signal enregistré par les photomètres. L'orbite héliosynchrone d'ENVISAT permet de les observer dans les deux hémisphères. Les principales pro- priétés de ces nuages (fréquence d'occurrence, altitude, luminance) ont ainsi pu être déterminées. De plus, leur observation avec les spectromètres permet de connaître la dépendance spectrale des particules qui les constituent, à partir de laquelle il est possible de déterminer leur rayon. Une climatologie complète de tous ces paramètres a été établie tout au long de 8 années de mesure, de 2002 à 2010.

Elément essentiel de la composition atmosphérique, les particules jouent un rôle important tant sur la qualité de l'air que sur le bilan radiatif de la Terre. Ce travail de thèse est une contribution à une meilleure compréhension des mécanismes de formation par nucléation de nouvelles particules dans l'atmosphère naturelle. Il est orienté vers l'observation des premiers instants de la formation des particules, associée à la connaissance des conditions environnementales ayant favorisé ou limité son développement. Cette étude expérimentale est basée sur un ensemble de mesures longue durée sur deux sites d'altitude : le puy de Dôme (1465m, France) et l'observatoire ABC-Pyr, situé au pied de l'Everest (5079m, Népal). Nous avons dans un premier temps caractérisé l'aérosol présent sur le site du puy Dôme, et observé une forte variabilité saisonnière des concentrations, avec un maximum en été. Nous proposons des spectres dimensionnels représentatifs de chaque type de masse d'air (marine, continentale, régionale) en conditions de fond. La variabilité de la composition de l'atmosphère sur le site de ABC-Pyr apporte également des informations nouvelles sur le bruit de fond dans la Troposphère et l'influence des transports local/régional et longue distance. Sur les deux sites, on observe pour la première fois en haute altitude une fréquence élevée d'événements de nucléation. Une étude statistique montre que les processus photochimiques favorisent la nucléation et la croissance et que l'effet des nuages est également important, mais plus complexe. Le transport en altitude semble être, dans nos études, un processus favorisant les évènements de nucléation. Nous constatons que ce phénomène a une extension spatiale importante et que son influence sur le bilan radiatif et le climat ne peut pas être anodine.

Les particules d'aérosols jouent un rôle prépondérant sur le climat de la Terre, notamment à travers l'absorption et la diffusion du rayonnement solaire. L'hygroscopicité de ces particules est un paramètre important qui décrit leur capacité à augmenter leurs diamètres par condensation de vapeur d'eau en fonction de l'humidité relative. Ce travail a pour but d'étudier l'hygroscopicité des particules atmosphériques grâce à un système HTDMA développé au laboratoire. Notre travail s'articule autour de mesures réalisées en zone source (Marseille, Grenoble) et en zone de fond (puy de Dôme, 1465m). L'hygroscopicité mesurée sur ces sites est globalement plus importante en zone de fond qu'en zone source. Cette information, appuyée par nos mesures en laboratoire, met en évidence l'impact du phénomène de "vieillissement de l'aérosol sur son hygroscopicité par condensation de composés volatils à sa surface ou par formation de composés secondaires par réaction en phase aqueuse en nuage. La spécificité de cette étude est également due au couplage des propriétés hygroscopiques avec la composition chimique des aérosols mesurés par AMS. Ce couplage nous a permis de montrer, grâce à la théorie ZSR, que l'hygroscopicité de l'aérosol pouvait être calculée à partir de la connaissance de sa composition chimique, avec une précision de 5% en moyenne, en prenant en compte l'état de mélange de l'aérosol. Enfin, nos résultats montrent que l'aérosol est toujours présent sous forme de mélange externe, ce qui constitue une information importante pour évaluer l'impact radiatif (direct ou indirect) de l'aérosol

In this thesis I document the biostratigraphy of two Cretaceous sections in Pakistan, the Chichali Nala Section and the Moghal Kot Section. Furthermore, I document the stratigraphy of the so-called Oceanic Anoxic Events (OAEs) in the Moghal Kot Section. In addition, I establish potential links between the planktonic foraminiferal evolution and these OAEs in the Moghal Kot Section. Sea Surface Temperatures (SSTs) are established for the Valanginian time by using the TEX86 and δ18O proxies in the Chichali Nala Section. The new biostratigraphy of the Chichali Nala Section shows that the ages of the sediments are mainly Valanginian. The biostratigraphy of the Moghal Kot Section show ranges in age from the Early Aptian to Early Maastrichtian. Seven OAEs were recorded in the Moghal Kot Section based on the combined study of biostratigraphy, microfacies, and δ13C analysis. These OAEs correlate well with previously documented OAEs elsewhere, therefore the new record of the OAEs in the Moghal Kot Section confirms the widespread occurrence of these events, possibly all global in nature. A quantitative review of the planktonic foraminiferal evolution in the Moghal Kot Section indicates that the environmental changes along the OAE2 have strongly forced the evolution of the planktonic foraminifera. Conversely, no clear relationship is observed between other OAEs and planktonic foraminiferal evolution in the same section. The SST results based on the TEX86 in the Chichali Nala Section show that the surface ocean was consistently much warmer (10-12 oC) than today at the paleolatitude of ~-35o during the Valanginian time. Such warm conditions are also supported by the spore and pollen assemblages of the Chichali Nala Section. Collectively the two datasets indicate strongly that the Valanginian world was overall extremely warm. Such warming during the Valanginian is incompatible with previously suggested cooler conditions during this time period.