Ce travail de thèse concerne la caractérisation de la structure spatio-temporelle des fortes précipitations dans la région Cévennes-Vivarais. La région est soumise à des événements de pluie catastrophiques dont la magnitude gouverne les conséquences à différentes échelles de temps et d'espace. La détermination de la probabilité d'occurrence des orages est problématique à cause du caractère extrême des ces événements, de leur dimension spatio-temporelle et du manque de données pluviométriques aux échelles d'intérêt. Nous proposons d'adopter des approches d'invariance d'échelles afin d'estimer la fréquence d'occurrence de ces événements. Ces approches permettent d'extrapoler la distribution de la pluie à haute résolution à partir de données d'intensité pluvieuse à plus faible résolution. La paramétrisation de ces modèles étant fortement dépendante de l'incertitude de la mesure, nous avons d'abord caractérisé l'erreur commise dans la mesure de la pluie par un réseau de pluviomètres à augets. Nous avons ensuite exploré le comportement des pluies extrêmes dans la région d'étude, identifiant les gammes d'invariance d'échelles des extrêmes. Dans cette gamme d'échelles, nous présentons un modèle régional Intensité-Durée-Fréquence qui prend en considération l'hétérogénéité spatiale des extrêmes dans la région. Étant donné que le réseau pluviométrique ne permet pas de détecter les propriétés d'invariance d'échelle spatiale des champs de pluie, nous avons adopté une méthode semi-empirique pour modéliser des intensités de pluie intégrés sur des surfaces données (pluie surfacique) sur la base du concept de la mise en échelle dynamique (" dynamic scaling "). Cette modélisation permet la construction d'un modèle régional Intensité-Durée-Fréquence-Surface. Enfin, nous avons appliqué ce modèle à la construction des diagrammes de sévérité pour trois événements marquants en région Cévennes-Vivarais, afin d'identifier les échelles spatio-temporelles critiques pour chaque événement. Grâce aux diagrammes de sévérité, nous avons pu évaluer, pour ces mêmes événements, la performance d'un modèle météorologique de méso-échelle.

La question de la prévision des évènements fortement précipitants se produisant sur le bassin Méditerranéen est au coeur du programme international HyMeX (Hydrological cycle in Mediterranean EXperiment, http://www.hymex.org/) dont l'un des objectifs est d'améliorer la prévision et la prévention des risques hydrométéorologiques du bassin méditerranéen dans le contexte du changement climatique. Durant l'automne 2012, une campagne de mesures de deux mois dite "Période d'Observation Spéciale" (SOP1) a été menée afin de documenter les conditions propices à la formation et au développement des évènements convectifs de type cévenol souvent responsables de crues dévastatrices. Pendant cette SOP1 un dispositif instrumental sans précédent a été déployé avec notamment pour la première fois sur le sol français un imageur à haute résolution spatio-temporelle permettant d'observer les décharges électriques en trois dimensions : le Lightning Mapping Array (LMA). Cet instrument a été combiné aux radars du réseau ARAMIS de Météo-France, et plus précisément aux radars Doppler à diversité de polarisation dans le Sud-Est de la France qui offrent la possibilité d'obtenir des informations sur le type et la distribution des hydrométéores au sein des systèmes précipitants. La production d'éclairs étant le résultat d'une électrisation issue des interactions microphysiques (collisions entre graupels et cristaux de glace en suspension), une description détaillée des différents types d'hydrométéores présents dans les nuages convectifs est essentielle. Dans cette optique, les algorithmes d'identification des hydrométéores développés par Météo-France ont été évalués puis améliorés. Les résultats de cette étude ont montré que les restitutions entre les différents radars étaient plutôt cohérentes, à condition que l'information sur l'altitude de l'isotherme 0°C soit correcte. Ce travail a ensuite été complété par la création, via une méthode originale, de composites 3D d'hydrométéores permettant de décrire la microphysique majoritairement présente dans les systèmes convectifs observés pendant la campagne HyMeX. La deuxième partie de ce travail s'est basée sur l'exploitation de la synergie radar-LMA sur une ligne de grain observée durant la SOP1 de HyMeX. Les principales informations déduites de ce couplage ont mis en exergue l'importance des processus microphysiques intervenant dans l'électrisation du nuage d'orage, ainsi que l'impact du relief sur l'activité électrique globale du système convectif. Sur les quatre heures de données analysées du 24 Septembre 2012, le déclenchement et la propagation des éclairs ont majoritairement été observés dans les espèces microphysiques que sont le graupel, les cristaux de glace et dans une moindre mesure la grêle. Cette étude souligne également le rôle important de la topographie sur l'activité électrique et montre que le passage d'un faible relief peut dramatiquement influencer la distribution et l'intensité des éclairs dans les régions convectives. / The Hydrological cycle in Mediterranean Experiment (HyMeX, http://www.hymex.org/) is a 10-year research program focusing on the quantification and understanding of the water cycle in the Mediterranean at various time and spatial scales with particular emphasis on high-impact weather events. This study takes place within the framework of the first HyMeX field phase (HyMeX-SOP1), which was conducted in the autumn 2012. The unique and extensive dataset collected during this field campaign offers the possibility to further investigate the complex relationships between cloud microphysics and lightning at play within mesoscale convective systems observed in southern France. With this regard, the present study make the use of a Lightning Mapping Array (LMA) along with operational dual-polarization weather radar. The first instrument allows documenting the three-dimensional lightning activity, whereas the second has the ability to determine the type of hydrometeors within cloud systems. Since the production of lightning is the result of an electrification created by microphysical collisions between graupels and ice crystals in suspension, a highly detailed description of hydrometeor types within convective clouds is needed. With this respect, an improved version of Météo-France hydrometeor classification algorithm was developed and evaluated so as to be able to discriminate between a large number of microphysics species. Overall hydrometeor species retrieved from a pair of neighbouring radars within a common sampling area are consistent from one to another. This study has however pointed out the need to check the consistency related to the identification of 0°C isotherm derived from numerical weather prediction model outputs before to perform hydrometeor identification. As a follow up to this work, a novel interpolation method allowing the remapping of single-radar hydrometeor fields onto a common Cartesian grid was developed in order to get access the three-dimensional hydrometeor distribution within HyMeX convective systems. Another part of this work aims at combining LMA and polarimetric radar observations to infer relationships between the total lightning activity, microphysics, and kinematics within the intense bow-echo system observed above the complex terrain of southern France during HyMeX. Using the synergy between LMA and polarimetric radar data, it is underlined that microphysical processes involved in cloud electrification, along with the impact of the topography play at part onto the global lightning activity. Based on a 4h analysis on the 24 Setptember 2012, it is found that lighting initiation and propagation take preferentially place within graupel, ice and to a lesser extent hail regions. This study also highlights the important role of topography on lightning activity and shows that even a small hill can dramatically influence the distribution and intensity of lightning within convective areas.

Le Sud-Est de la France est régulièrement soumis à des épisodes de pluies intenses en automne, entraînant parfois des inondations ayant un fort impact sociétal. L'un des sujets de recherche du projet HyMeX (Hydrological cycle in the Mediterranean Experiment) porte d'ailleurs sur l'amélioration de la compréhension et de la prévision de tels phénomènes. La particularité du nuage orageux est la production d'éclairs, précédée par l'électrisation du nuage. Des études ont montré que la présence simultanée de graupels, de cristaux de glace et d'eau surfondue dans les zones convectives était nécessaire à l'établissement de l'électrisation. Il existe donc un lien entre ces paramètres et l'occurrence d'éclairs. Le but de cette thèse est d'identifier et de quantifier des relations entre éclairs nuage-sol et paramètres nuageux en France métropolitaine et particulièrement dans le Sud-Est. Pour ce faire une analyse multi-variables a été réalisée à partir de plusieurs jeux de données : électrique (observation d'éclairs nuage-sol, Météorage) et radar (Dopplers : restitution des champs 3D de réflectivité et de vent, et polarimétriques : restitution de la microphysique, Météo-France). L'étude a été menée sur deux régions : la région parisienne et la région Sud-Est. Les résultats obtenus permettent notamment d'établir des relations linéaires quantifiables entre volume de réflectivité supérieure à 40 dBZ et taux d'éclair nuage-sol ainsi qu'entre masse de glace précipitante (principalement composée de graupel) et taux d'éclair. Une application de " l'hypothèse des flux de glace " basée sur le mécanisme d'électrisation non-inductif des orages a également été testée et montre des résultats encourageants entre produits des flux de masse de glace précipitante et non précipitante et taux d'éclair. La comparaison des résultats régionaux a montré un caractère plus facilement généralisable de la relation entre forte réflectivité et taux de CG. Au contraire, les relations basées sur les masses de glace semblent plutôt avoir un caractère régional. L'étude du premier cas considéré comme représentatif de la campagne HyMeX a permis la comparaison de la restitution des masses de glace à partir des données provenant de deux radars du réseau opérationnel de Météo-France (l'un en bande C, l'autre en bande S). Cette étude fait apparaître que la masse de glace précipitante semble sensible à l'instrument utilisé pour la restituer contrairement à la glace non précipitante (cristaux de glace et neige sèche).

Le terme « excès » possède, dans notre thèse, un sens plus large que dans sa définition usuelle. L'excès est perçu par l'existence de dommages et marque la synergie entre un phénomène météorologique menaçant (le temps fort) et les vulnérabilités.<br />La disposition du relief auvergnat favorise une plus grande fréquence des temps forts pluviométriques sur les bordures montagneuses occidentale et méridionale de la région, tandis que l'espace intérieur (Limagnes, vallées de la Loire et de l'Allier entre autres) n'est que rarement concerné par les fortes chutes d'origines océanique et méditerranéenne. Toutefois, en raison d'une plus grande vulnérabilité des bas-pays urbanisés, les excès sont nettement plus nombreux dans les bassins qu'en montagne. Ces bassins sont, en plus, parfois affectés par des transferts de crues issus des espaces montagnards.<br />L'analyse des systèmes perturbés générant les temps forts est effectuée soit d'une manière classique par l'étude des cartes isobariques ou encore par utilisation de l'imagerie satellitaire et radar. L'imagerie radar s'avère déterminante pour comprendre l'évolution des systèmes cévenols et orageux. Bien sûr, les excès les plus graves se produisent lorsque les temps forts touchent directement les espaces urbains ou lorsque les transferts de crues les plus importants atteignent les bassins.<br />L'ensemble du travail aboutit sur une identification de onze territoires possédant des caractères originaux au niveau des vulnérabilités, de la fréquence et de la nature des temps forts ainsi que de l'importance des excès.

Le schéma électrique de Méso-NH est composé de trois parties : l'évolution des charges électriques, le calcul du champ électrique et les éclairs. L'électrisation du nuage se fait principalement par le mécanisme non-inductif. Le processus inductif entre en jeu lorsqu'un champ électrique intense existe dans le nuage. Lorsque le champ électrique dans le nuage atteint une valeur seuil, un éclair est déclenché, et il se propage selon un leader bidirectionnel. Les branchements sont générés selon un schéma stochastique qui obéit à une loi fractale déduite des modèles de rupture diélectriques.<br />Des relations entre la dynamique, la microphysique et l'électricité sont mises en évidence sur différents cas d'étude. Des bilans sont effectués sur la ligne de grains en 2D, alors que la supercellule et la multicellule sont l'occasion de réaliser des tests de sensibilité sur l'électrisation et les éclairs. La production de NOx par les éclairs est illustrée sur un orage de STERAO.

Les fortes précipitations sont parmi les phénomènes météorologiques les plus dangereux pouvant causer des dégâts matériels, des blessés et des morts. Le programme de recherche HyMeX (Hydrological cycle of the Mediterranean eXperiment) s'intéresse à leur étude sur le bassin méditerranéen et plus particulièrement sa partie nord occidentale. Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse ont porté en particulier sur l'étude des mécanismes associés aux événements de fortes précipitations (High Precipitation Events, HPE) se produisant en Corse. Une climatologie des HPE en Corse sur une durée de 31 ans a été réalisée ainsi que l'étude détaillée de trois HPEs de l'automne 2012 pendant la campagne de mesures d'HyMeX. Ces trois cas d'études sont abordés par le biais de l'analyse des données et par celui de la modélisation. L'étude climatologique a montré que 173 HPEs (caractérisés par plus de 100 mm de précipitations en 24h) se sont produits en Corse sur la période 1985-2015. Ils sont principalement caractérisés par le fait qu'ils affectent plutôt la partie orientale de la Corse, plus particulièrement son orographie. Ces HPEs se produisent surtout de septembre à décembre avec un maximum en octobre. Une analyse en composantes principales a permis de classer ces événements en trois catégories. Les dépressions méditerranéennes chaudes d'automne, celles d'hiver froides, et une catégorie dite mixte associée aux dépressions atlantiques de grande échelle. Les précipitations les plus fortes sont observées quand l'orographie corse fait obstacle à un flux de sud-est chaud et humide. Les cas d'études présentés sont tous les trois différents en terme de mécanismes impliqués. Le cas du 4 septembre 2012 est associé à une dépression stationnaire donnant des précipitations sur toute la Corse avec un maximum sur le littoral et le relief de l'est de l'île. Celui du 31 octobre correspond à une dépression se déplaçant rapidement et induisant une évolution en plusieurs phases associée à un flux de basse couche initialement de sud-est tournant à l'ouest, associé à des précipitations d'abord convectives le long du relief oriental puis évoluant au fur et à mesure en pluies stratiformes sur l'ouest et le sud-est de l'île. Le dernier cas, du 23 octobre, est composé d'une ligne de cellules convectives résultant d'une convergence stationnaire au sud-est, sous le vent de la Corse. Les cellules convectives sont advectées vers l'île par le flux de sud-est de moyenne et haute altitude. Cette configuration permet la stationnarité de la ligne convective, provoquant un épisode de précipitations relativement court et très localisé. Les résultats de ce travail confirment que le modèle numérique Meso-NH permet de bien simuler ce type de phénomène avec une précision satisfaisante à une résolution horizontale de 2,5 km. Cependant, cette étude met également en évidence l'importance de la bonne représentation des conditions initiales. En outre, la distribution spatiale des précipitations dépend fortement de la représentation de l'orographie dans le modèle et de la résolution horizontale. Elle est améliorée quand on utilise une résolution de 500m. / Heavy precipitation is one of the primal meteorological reasons for property damage, injuries, and deaths. In the framework of the Hydrological Cycle of the Mediterranean (HyMeX) program, heavy precipitation is analyzed throughout the entire Mediterranean basin with a special focus on the northwestern Mediterranean. This work studies in particular the mechanisms of high precipitation events (HPEs) on Corsica. For this purpose, a 31 year (1985 - 2015) climatology of HPEs on Corsica is presented. In addition, three HPEs during autumn 2012 are analyzed in detail using observations and numerical modeling. A climatology of 173 events shows that the eastern half of Corsica, specifically the orography, is most affected by high precipitation events. The months from September to December, most of all October, are identified as most prone to heavy precipitation events over Corsica. A principal component analysis is used to classify the events into three categories, which correspond to warm autumn and cold winter Mediterranean cyclones as well as a mixed category which contains also larger scale Atlantic cyclones. The heaviest precipitation is observed when warm moist southeasterly flow encounters the Corsican orography. In addition, three case studies are presented, each with different mechanisms involved. A stationary cyclone on 4 September 2012 led to widespread precipitation over Corsica with the most intense rain observed over the east of the island, along the coast and the orography. On 31 October, a fast moving cyclone caused a multi-phase event, which was characterized by low level wind turning from southeast to west while precipitation gradually changed from convective along the orography in the east of the island to stratiform mainly over the west and southwest. The last event, 23 October 2012, was comprised of a line convective cells which formed over stationary lee side convergence southeast of Corsica. The convective cells were advected toward the island by the mid- and upper level southeasterly wind. These conditions allowed the convective line to remain stationary, resulting in a highly localized and relatively short event. The findings confirm that the numerical model Meso-NH is well capable of simulating such events with satisfactory precision at a grid spacing of 2.5 km. However, the studies also underline the importance of well captured initial conditions. Additionally, the spatial distribution of precipitation is highly dependent on the representation of the orography in the model as well as the horizontal grid spacing and is improved when using a horizontal grid spacing of 500 m instead.

En France les filtres plantés à écoulement vertical sont utilisés pour le traitement des surverses de déversoir d’orage (CSO en anglais). Ils sont efficaces pour le traitement des polluants ainsi que pour assurer un rôle de tampon hydraulique permettant de protéger les milieux hydriques superficiels. Ils ont la particularité de recevoir des effluents bruts dont la fréquence, l’intensité, la durée et les concentrations sont stochastiques. En conséquence de quoi l’optimisation du dimensionnement est particulièrement délicate. Dans ce travail, le dimensionnement est abordé suivant deux approches. D’une part en définissant les processus clefs pour une optimisation du dimensionnement et, d’autre part, en construisant un modèle dynamique simplifié (Orage)permettant de prendre en compte, sur le long terme, le caractère stochastique des évènements et les contraintes locales. Le cœur du modèle a été calibré et validé sur une large gamme d’évènements mesurées sur un site en taille réelle (site de Marcy l’Etoile). La qualité de la calibration a été validé aussi bien visuellement que statistiquement et la robustesse du modèle étudiée par une analyse de sensibilité (méthode de Morris). L’optimisation automatique du dimensionnement a nécessité la réalisation d’une boucle itérative également paramétrée et testée dans le cadre du site de Marcy l’Etoile et pour des cas théoriques. Les dimensionnements proposés ont été estimés réalistes. La définition des processus clefs du système de traitement, et le développement du modèle simplifié, a également été possible grâce à la simulation d’expérimentations sur colonnes par un modèle mécaniste (HYDRUS / CW2D). La paramétrisation des processus du modèle simplifié a été réalisée sur la base d’expérimentations détaillées sur le site de Marcy l’Etoile. Le site a été suivi pendant trois ans aussi bien par des prélèvements automatiques, des traçages, que des mesures en lignes (hydraulique, azote, teneur en eau). Parmi les processus calibrés, nous retiendrons i) l’importance du niveau de saturation de la base du filtre au début d’un évènement vis-à-vis des court circuits hydrauliques, ii) la définition des capacités d’adsorption de l’azote ammoniacale de différents matériaux (pouzzolane, mélange de sable et de zéolite) et iii), la définition des cinétiques de nitrification suivant la température et quantité d’azote ammoniacal adsorbé. Si les performances de l’ouvrage sont hautes pour les paramètres majeurs (MES, DCO, N-NH4), l’impact du dimensionnement, de la gestion et des facteurs environnementaux sur les performances et l’accumulation de boue a été étudié. De plus, quelques suivis ont été réalisés sur les métaux et les HAP. Ces mesures ont permis non seulement de calibrer le logiciel Orage mais aussi de proposer des modifications pour l’amélioration du dimensionnement. / Constructed wetlands for combined sewer overflow treatment (CSO CWs) are vertical flow filters in France. They effectively remove pollutants and mitigate hydraulic peaks, which protects natural waters. They receive unsettled flows with stochastic return periods, volumes and concentrations, making design optimization difficult. In the presented work, design is targeted from two sides. First, the scientific basis is laid down for the design-support software Orage. The tool is model-based and as such, it considers the stochasticity of CSOs site-specifically. Its core model has been calibrated and then verified by a range of tests. Simulations fit to measured data from a full-scale CSO site (Marcy l’Etoile). The goodness of fit is evaluated visually and statistically. Model robustness has been confirmed by a sensitivity analysis (Morris method). After this, the iterative shell has been parameterized and tested (the software element doing automatic optimization). The design proposals of the tool have been found realistic. The other approach to target optimization has been a detailed field research at Marcy l’Etoile. The site at Marcy l’Etoile has been monitored for three years, using automatic samplers and online probes. The filling of the porous media at event start proves and explains shortcutting behaviour. Adsorption capacities have been quantified for pozzolana and a sand and zeolite mixture. A temperature-dependent equation is calibrated to calculate nitrification rate. System efficiency is high for target pollutants (TSS, COD, NH4-N). Design, operational and environmental factors have been analysed to seek potential effects on removal performances and sludge accumulation. Additionally, PAHs and metals are indicated for a few selected events. The field results were essential to calibrate Orage and to see options for design improvements. The understanding of CSO CWs and the development of Orage was promoted also by simulating lab-scale columns using the process-based model package HYDRUS / CW2D.

Dans cette thèse, on propose un nouveau modèle de couplage auto-cohérent entre des structures magnétiques cohérentes sur les échelles ioniques et des ondes dites de sifflement (whistlers, en anglais) à plus hautes fréquences, afin d'interpréter les données expérimentales recueillies par les satellites Cluster pendant un sous-orage magnétique dans la région nocturne de la magnétosphère terrestre. Le couplage fournit un mécanisme pour confiner et transporter les ondes whistlers par l'intermédiaire d' une onde nonlinéaire qui se propage obliquement par rapport au champ magnétique. Cette étude s'appuie sur une analyse des données expérimentales, sur une modélisation théorique ainsi que sur des simulations numériques. Pendant les sous-orages magnétiques, la magnétosphère est soumise à de fortes perturbations magnétiques et électriques dans une vaste gamme de fréquences, qui vont des basses fréquences, inférieures ou de l'ordre de l'échelle temporelle typique ionique, aux hautes fréquences, supérieures ou de l'ordre de l' échelle temporelle typique électronique. Afin de connaître les processus physiques qui déterminent la dynamique de la magnétosphère pendant les sous-orages, il est fondamental de comprendre si, et avec quel méchanisme, des couplages peuvent se produire entre des ondes qui se propagent sur des temps caractéristiques différents. Des structures magnétiques à basse fréquence ont déjá été obsérvées dans des régions comme la magnétogaine et le vent solaire, éventuellement associées à des ondes whistlers à plus haute fréquence. Dans cette thèse, on montre que des structures similaires sont obsérvées dans la couche de plasma à l'intérieur de la magnétosphère. On s'intérroge ensuite sur la façon dont l'inhomogénéité de telles structures peut influencer la propagation des ondes à plus haute fréquence. Grâce à ses quatre satellites en configuration tetraédrique et à ses mésures à haute résolution temporelle, la mission Cluster nous offre une occasion unique de pouvoir analyser la structure spatiale des perturbations stationnaires (ou se propageant) et d'étudier la dynamique du plasma sur des échelles temporelles plus courtes, telles que celles des ondes whistlers. Ainsi, je décrirai les émissions d'ondes whistlers détectées par les satellites Cluster à l'intérieur de structures magnétiques cohérentes situées dans un écoulement de plasma rapide pendant le sous-orage du 17 Août 2003. Au cours de cette période, les satellites Cluster sont situés dans la couche de plasma, séparés d'une distance de l'ordre des échelles spatiales typiques ioniques (le rayon de giration ou la longueur d'inertie des ions). Les ondes whistlers sont corrélées avec des structures magnétiques characterisées par un minimum du module du champ magnétique et un maximum de densité du plasma. Ces dernières ont été modélisées comme des ondes planes nonlinéaires de type lent qui piègent et transportent les ondes whistlers. A partir d'une étude théorique et numérique en utilisant une approche bi-fluide, on peut alors reproduire les données observationnelles. Le rôle possible de telles structures couplées dans la physique des sous-orages est aussi discuté. Ce nouveau mécanisme de piégeage, étudié ici en utilisant comme guide pour les whistlers une onde oblique de type magnétosonique, est d'intérêt plus général par rapport au contexte spécifique des observations présentées dans cette thèse. En effet, d'autres ondes nonlinéaires, comme par exemple les ondes d' Alfvén obliques ou d' Alfvén cinétiques dans les plasmas à beta fort (où beta est le rapport de la pression thermique du plasma sur la pression magnétique), pourraient aussi transporter les whistlers. Ce modèle de piégeage constitue aussi une explication alternative aux modèles existants qui considèrent une inhomogénéité stationnaire sous la forme d'un canal de densité. Enfin, l'étude décrite dans cette thèse concerne des problématiques fondamentales en physique des plasmas, comme la propagation d'ondes dans les milieux inhomogènes et l'interaction entre modes sur des échelles temporelles différentes.