Cette thèse s'intéresse à la modélisation numérique du couplage entre l'océan et l'atmosphère. Bien que présentant un certain nombre de caractéristiques communes, ces deux milieux physiques sont suffisamment dissemblables pour être numériquement simulés par des modèles distincts, incluant chacun des spécificités propres. Par conséquent, leurs interactions sont prises en compte via des algorithmes de couplage multiphysique.La mise en place de tels algorithmes nécessite une bonne compréhension des modélisations des milieux océanique et atmosphérique, en particulier au voisinage de leur interface commune. C'est pourquoi une partie conséquente de la présente thèse dissèque, analyse et complète les paramétrisations turbulentes, qui sont des mécanismes numériques définis au niveau continu, traitant la couche limite turbulente au voisinage de la surface océanique. Les travaux entrepris ont permis d'identifier deux sources d'erreurs, théoriquement et numériquement significatives, dans la modélisation numérique standard de l'interface océan-atmosphère.La première source d'erreur se manifeste dans les formulations continues des paramétrisations turbulentes: celles-ci sont actuellement utilisées de manière incomplète, ce qui se traduit par le caractère mathématiquement irrégulier des solutions qu'elles génèrent. En revenant aux fondements de la théorie dont les paramétrisations découlent, la présente thèse étend leur domaine d'application, permettant de générer des profils de solution réguliers, dans un cadre théorique uniforme et bi-domaine. Les effets d'une telle extension sont numériquement évalués sur des cas tests physiquement réalistes: celle-ci peut mener à des biais considérables (de l'ordre de 20%) dans les flux échangés entre océan et atmosphère. D'un point de vue théorique, cette extension permet de définir des critères simples sous lesquels le couplage océan-atmosphère peut être considéré comme cohérent par rapport aux deux domaines physiques, et surtout aux paramétrisations turbulentes.La seconde source d'erreur est de nature algorithmique: elle concerne la discrétisation temporelle des mécanismes de couplage. Les méthodes actuelles, dites ad hoc, ne garantissent pas une complète cohérence des flux d'un modèle à l'autre. Les algorithmes de Schwarz globaux en temps, issus de thématiques liées à la décomposition de domaine, constituent une piste intéressante pour traiter ces aspects. La mise en place de tels algorithmes sur des modèles physiquement réalistes représente un défi considérable. Leur impact numérique sur des cas tests simplifiés est évalué. L'étude préalable des paramétrisations turbulentes permet de donner des pistes quant au développement d'algorithmes de couplage, concernant à la fois la cohérence du couplage précédemment introduite, et l'incorporation graduelle d'effets physiques plus complexes. / This thesis focuses on the numerical modelling of the air-sea coupling. Although they share some common features, these two physical environments are sufficiently dissimilar for their numerical treatment to be carried out by distinct models, each including their own specificities. The interactions between these two components are thus taken into account through coupling algorithms.Implementing such algorithms requires proper understanding of the oceanic and atmospheric modelling, most importantly in the vicinity of their common interface. Therefore a substantial part of this thesis dissects, analyzes and completes turbulent parameterization schemes, which are the numerical mechanisms, defined at a continuous level, through which the turbulent surface layer at the vicinity of the sea surface is treated. Two theoretically and numerically meaningful sources of errors in the standard numerical modelling of the air-sea interface have been isolated.The first source of error lies in the continuous formulation of the turbulent parameterizations, which are currently used in an incomplete manner, leading to mathematically irregular solution profiles. By carefully studying their theoretical bases, this thesis extends the parameterizations, allowing them to generate regular profiles within a standardized, bi-domain framework. Numerical investigations on physically relevant test cases show that including such an extension can result in considerable bias (of the order of 20%) in air-sea fluxes evaluations. From a theoretical perspective, carrying this extension leads to establishing simple criteria under which the air-sea coupling can be considered as coherent with respect to the two physical environments, and more importantly, to the turbulent parameterizations.The second source of error is algorithmic in essence: it is linked to the temporal discretization of the coupling mechanisms. Existing ad hoc methods do not guarantee perfect coherence of the air-sea fluxes from one model to the other. Global in time Schwarz algorithms, which have first been developed as domain decomposition methods, are good candidates for correcting these flaws, although their implementation to the air-sea context is a considerable challenge, given the complexity of this problem. Investigations on the numerical impact of such algorithms are carried out on simplified test cases. Thanks to the undertaken work on turbulent parameterizations, perspectives on the development of coupling algorithms are given, regarding both their coherence as per the aforementioned conditions, and the gradually increasing complexity of physical effects that are accounted for.

La reconstruction 3D consiste à acquérir des images d’un objet, et à s’en servir pour en estimer un modèle 3D. Dans ce manuscrit, nous développons une méthode de reconstruction basée sur la modélisation par squelette. Cette méthode a l’avantage de renvoyer un modèle 3D qui est un objet virtuel complet (i.e. fermé) et aisément éditable, grâce à la structure du squelette. Enfin, l’objet acquis n’a pas besoin d’être texturé, et entre 3 et 5 images sont suffisantes pour la reconstruction. Dans une première partie, nous étudions les aspects 2D de l’étude. En effet, l’estimation d’un squelette 3D nécessite d’étudier la formation de la silhouette de l’objet à partir de son squelette, et donc les propriétés de sa projection perspective, appelée squelette perspectif. Cette étude est suivie par notre première contribution : un algorithme d’estimation de la projection perspective d’un squelette 3D curviligne, constitué d’un ensemble de courbes. Cet algorithme a toutefois tendance, comme beaucoup d’algorithmes estimant un squelette, à générer des branches peu informatives, notamment sur une image rastérisée. Notre seconde contribution est donc un algorithme d’estimation de squelette 2D, capable de prendre en compte la discrétisation du contour de la forme 2D, et d’éviter ces branches peu informatives. Cet algorithme, d’abord conçu pour estimer un squelette classique, est ensuite généralisé à l’estimation d’un squelette perspectif. Dans une seconde partie, nous estimons le squelette 3D d’un objet à partir de ses projections. Tout d’abord, nous supposons que le squelette de l’objet 3D à reconstruire est curviligne. Ainsi, chaque squelette perspectif estimé correspond à la projection du squelette 3D de l’objet, sous différents points de vue. La topologie du squelette étant affectée par la projection, nous proposons notre troisième contribution, l’estimation de la topologie du squelette 3D à partir de l’ensemble de ses projections. Une fois celle-ci estimée, la projection d’une branche 3D du squelette est identifiée sur chaque image, i.e. sur chacun des squelettes perspectifs. Avec cette identification, nous pouvons trianguler les branches du squelette 3D, ce qui constitue notre quatrième contribution : nous sommes donc en mesure d’estimer un squelette curviligne associé à un ensemble d’images d’un objet. Toutefois, les squelettes 3D ne sont pas tous constitués d’un ensemble de courbes : certains d’entre eux possèdent aussi des parties surfaciques. Notre dernière contribution, pour reconstruire des squelettes 3D surfaciques, est une nouvelle approche pour l’estimation d’un squelette 3D à partir d’images : son principe est de faire grandir le squelette 3D, sous les contraintes données par les images de l’objet.

Nous avons introduit, dans cette thèse, une représentation physique du soulèvement des poussières désertiques sur le Sahara, basée sur les travaux de Marticorena and Bergametti (1995) pour le calcul du flux horizontal des poussières et de Alfaro and Gomes (2001) pour le calcul du flux vertical de poussières optimisé par Menut et al.(2005). Pour valider le calcul du soulèvement de poussières dans le modèle LMDZ, nous avons utilisé la version”Chimere-dust” du modèle de chimie-transport Chimere. Les vents horizontaux des réanalyses ERA-I sont également utilisés pour guider le modèle LMDZ. L’ émission dépend de façon très non linéaire des tensions de vent en surface. Des simulations menées avec les versions ”physique standard” LMDZ5A et nouvelle physiqueLMDZ5B du modèle basée sur des développement récents des paramétrisations de la couche limite convective et de la convection nuageuse. Cette dernière version améliore la représentation du cycle diurne du vent par rapport aux réanalyses utilisées pour le guidage. Le cycle diurne du vent dans les observations et dans les simulations LMDZ montre un maximum marqué en fin de matinée. L'impact sur le soulèvement des poussières de la meilleure représentation du cycle diurne dans la « Nouvelle Physique » se traduit par un accroissement des émissions d'un facteur 2 à 3, venant confirmer l'importance des émissions matinales de poussières dans cette région du globe. La version LMDZ5B inclut également une paramétrisation des poches froides ou courant de densité créés sous les orages par ré-évaporation des pluies. Ces courants de densité sont connus pour contribuer largement au soulèvement des poussières au Sahel et au Sahara en période de mousson, au travers de la formation de haboobs.On montre ici comment une prise en compte relativement simple des bourrasques de vents associées aux poches(diagnostiquées dans le modèle au travers de la « Available Lifting Energy ») permet d'augmenter de façon significative le soulèvement de poussières, et de réconcilier le cycle saisonnier des simulations des concentrations de surface de la poussières et des épaisseurs optiques (sensibles elles à la colonne intégrée) avec les observations. / We have introduced in this thesis, a physical representation of the desert dust lifting over the Sahara, based on the work of Marticorena and Bergametti (1995) to calculate the horizontal flow of dust and the calculation of the vertical flux of dust following Alfaro and Gomes (2001) but optimized by Menut et al. (2005). To validate the calculation of dust emission in the LMDZ model, we used the "Chimere-dust" version of the chemistry-transport model Chimere. Horizontal winds from the ERA-I reanalysis are also used for nudging. The dust emission depends very nonlinearly on the surface wind shear. Simulations conducted with the version "physical standard"LMDZ5A and the version "new physic" LMDZ5B of the model LMDZ based on recent developments in the parameterization of convective boundary layer and cloud. This new version improves the representation of the diurnal cycle of wind relative to the reanalysis used for nudging. The diurnal cycle of wind from the observations and simulated by the version LMDZ5B show a maximum at the end of the morning. The impact of the better representation of diurnal cycle of wind on the dust lifting is the increasing emissions by a factor 2 to 3, that confirm the importance of dust emissions in the morning at this region of the globe. The version LMDZ5B also includes a parameterization of “cold pools” or density current resulting from the re-evaporation of rainfall in the base of the clouds. These density currents are known to contribute significantly to the dust lifting in the Sahel and the Sahara monsoon with the formation of “haboobs”. In this work, we show how a relatively simple consideration of density current's associated wind gusts (diagnosed in the model through the “Available Lifting Energy” ) allows to significantly increase dust lifting, and reconcile the simulations of the seasonal cycle of surface concentrations and the Aerosol Optical Thickness (AOT) of dust with observations.

Cette thèse s'inscrit dans les projets de validation des satellites CALIPSO et CloudSat de L'A-Train dédiés à l'étude des nuages, afin d'améliorer leur représentation dans les modèles de prévision du climat. La validation a consisté à mesurer les paramètres microphysiques et optiques des nuages au moyen d'instruments in situ aéroportés (PMS, Néphélomètre Polaire,CPI). Plusieurs campagnes ont été réalisées en région Arctique (ASTAR 2007 et POLARCAt) et en cirrus aux latitudes moyennes CIRCLE-2) au cours desquelles les observations in situ ont été colocalisées avec celles des satellites. La méthode de traitement du CPI a été améliorée pour la restitution des paramètres microphysiques et du facteur de réflectivité radar (Z). Concernant la validation de CLIPSO, deux situations en cirrus montrent un bon accord entre les coefficients d'extinction (sigma) in situ et restitués, validant ainsi les hypothèses dans l'inversion du lidar. Pour une autre situation, l'effet d'orientation de cristaux de forme plane et hexagonale conduit à des réflexions spéculaire du faisceau lidar et à une surestimation de sigma restitué. A l'opposé des valeurs in situ de sigma plus élevées que CALIOP sont observées lors d'une situation de cirrus avec des cristaux de grande dimension. Les effets de fragmentation de ces cristaux peuvent se traduire par la génération de petites particules avec pour conséquence une surestimation de sigma mesurée. Quant à la validation de CloudSat les résultats montrent un bon accord entre Z CloudSat at ZCPI. En revanche, les parammètres nuageux restitués sont largement surestimés en particulier dans les nuages mixtes où le schéma d'inversion basé sur la température est mal adapté

La modélisation hydrologique globale du CNRM repose sur le modèle de surface ISBA qui calcule un bilan hydrique sur des mailles allant typiquement de 20 à 500 km de côté et sur le modèle de routage TRIP qui permet de convertir le ruissellement quotidien en débit. A ces résolutions, la répartition sous maille des caractéristiques de la surface et des flux atmosphériques a un fort impact sur les bilans d'eau simulés. Plusieurs paramétrisations des effets sous maille originales ou préexistantes ont alors été testées avec succès en mode forcé à l'échelle régionale et globale. Néanmoins, la validation globale reste parfois problématique en raison des incertitudes liées aux précipitations, aux paramètres de surface et à la modélisation de certains processus tel la représentation des zones inondées dans TRIP. Ceci souligne donc l'intérêt des futures missions satellitaires pour mieux contraindre nos modélisations hydrologiques.

La reconstruction 3D consiste à acquérir des images d’un objet, et à s’en servir pour en estimer un modèle 3D. Dans ce manuscrit, nous développons une méthode de reconstruction basée sur la modélisation par squelette. Cette méthode a l’avantage de renvoyer un modèle 3D qui est un objet virtuel complet (i.e. fermé) et aisément éditable, grâce à la structure du squelette. Enfin, l’objet acquis n’a pas besoin d’être texturé, et entre 3 et 5 images sont suffisantes pour la reconstruction. Dans une première partie, nous étudions les aspects 2D de l’étude. En effet, l’estimation d’un squelette 3D nécessite d’étudier la formation de la silhouette de l’objet à partir de son squelette, et donc les propriétés de sa projection perspective, appelée squelette perspectif. Cette étude est suivie par notre première contribution : un algorithme d’estimation de la projection perspective d’un squelette 3D curviligne, constitué d’un ensemble de courbes. Cet algorithme a toutefois tendance, comme beaucoup d’algorithmes estimant un squelette, à générer des branches peu informatives, notamment sur une image rastérisée. Notre seconde contribution est donc un algorithme d’estimation de squelette 2D, capable de prendre en compte la discrétisation du contour de la forme 2D, et d’éviter ces branches peu informatives. Cet algorithme, d’abord conçu pour estimer un squelette classique, est ensuite généralisé à l’estimation d’un squelette perspectif. Dans une seconde partie, nous estimons le squelette 3D d’un objet à partir de ses projections. Tout d’abord, nous supposons que le squelette de l’objet 3D à reconstruire est curviligne. Ainsi, chaque squelette perspectif estimé correspond à la projection du squelette 3D de l’objet, sous différents points de vue. La topologie du squelette étant affectée par la projection, nous proposons notre troisième contribution, l’estimation de la topologie du squelette 3D à partir de l’ensemble de ses projections. Une fois celle-ci estimée, la projection d’une branche 3D du squelette est identifiée sur chaque image, i.e. sur chacun des squelettes perspectifs. Avec cette identification, nous pouvons trianguler les branches du squelette 3D, ce qui constitue notre quatrième contribution : nous sommes donc en mesure d’estimer un squelette curviligne associé à un ensemble d’images d’un objet. Toutefois, les squelettes 3D ne sont pas tous constitués d’un ensemble de courbes : certains d’entre eux possèdent aussi des parties surfaciques. Notre dernière contribution, pour reconstruire des squelettes 3D surfaciques, est une nouvelle approche pour l’estimation d’un squelette 3D à partir d’images : son principe est de faire grandir le squelette 3D, sous les contraintes données par les images de l’objet. / The principle of 3D reconstruction is to acquire one or more images of an object, and to use it to estimate a 3D model of the object. In this manuscript, we develop a reconstruction method based on a particular model, the skeleton. The main advantages of our reconstruction approach are: we do reconstruct a whole, complete objet, and thanks to the skeleton structure, easily editable. Moreover, the method we propose allows us to free ourselves from constraints related to more classical reconstruction methods: the reconstructed object does not need to be textured, and between 3 and 5 images are sufficient to perform the reconstruction. In the first part, we focus on the 2D aspects of the work. Indeed, before estimating a 3D skeleton, we study the perspective silhouette of the object, and thus evaluate the properties of the perspective projection of the skeleton. Thus, our first contribution is an algorithm estimating the perspective projection of a curvilinear 3D skeleton, consisting of a set of curves. This algorithm, however, like most skeletonisation algorithms, tends to generate non-informative branches, in particular on a rasterized image. Our second contribution is thus an original 2D skeleton estimation algorithm, able to take into account the noise on the contour of the 2D shape, and to avoid uninformative skeleton branches. This algorithm, first designed to estimate a classical skeleton, is then generalized for computing a perspective skeleton. In a second part, we estimate the 3D skeleton of an object from its projections. First, we assume that the skeleton of the considered object is curvilinear. Thus, each estimated perspective skeleton corresponds to the projection of the 3D skeleton, from several viewpoints. The topology of the skeleton is however affected by the perspective projection, so we propose our third contribution: the estimation of the topology of the 3D skeleton based on its projections. Once this topology is estimated, for any 3D branch of the skeleton we indentify its projections on each image, that is a branch on each of the perspective skeletons. From this identification, we triangulate the branches of the 3D skeleton, which is our fourth contribution. Thus, we are able to estimate a curvilinear skeleton associated with a set of images of a 3D object. However, 3D skeletons are not necessarily made up of a set of curves, and some of them also have surface parts. Our last contribution is a new approach for the estimation of a general 3D skeleton (with surface parts) from images, which principle is to increase the 3D skeleton under the constraints given by the different images of the object.

De septembre à novembre, la région méditerranéenne nord-occidentale peut être le siège d'épisodes de fortes précipitations (HPE selon l'acronyme anglais). Le sud-est de la France fait partie des régions particulièrement affectées par ces événements. Au cours des années récentes, la prévision numérique de tels événements s'est considérablement améliorée. Toutefois, en raison des interactions complexes et multi-échelles qui régissent les systèmes nuageux convectifs, les modèles demeurent entachés d'erreur, principalement dans leur représentation des processus physiques. En particulier, les paramétrisations utilisées pour décrire les processus turbulents et nuageux reposent sur d'inévitables hypothèses simplificatrices, qui vont clairement restreindre la précision des prévisions. Afin de prendre en compte les incertitudes associées à ces paramétrisations, nous avons développé des méthodes de perturbations et évalué celles-ci pour la prévision d'ensemble à l'échelle convective. Les perturbations sont appliquées soit aux tendances temporelles des processus microphysiques et turbulents, soit aux paramètres ajustables des paramétrisations microphysiques. L'approche a été testée et évaluée sur deux situations convectives idéalisées avec l'objectif de mettre en évidence les processus menant à la plus grande dispersion dans le champ de précipitation. Suite à ces tests, des prévisions d'ensemble ont été effectuées pour sept situations réelles ayant affecté le sud-est de la France lors des automnes 2010, 2011 et 2012. La plus grande dispersion est obtenue en perturbant simultanément et aléatoirement les tendances temporelles des processus microphysiques et turbulents. Le niveau de dispersion est variable selon la nature de l'événement précipitant. Il est généralement plus élevé pour les situations associées à des flux incidents modérés et des précipitations se produisant en plaine. Pour certaines situations, les perturbations des processus physiques induisent une dispersion comparable à celle générée par des perturbations de conditions initiales et aux limites. Nos résultats suggèrent que, bien que l'impact des perturbations physiques soit modéré, il est suffisamment important pour justifier leur prise en compte dans un système de prévision d'ensemble opérationnel.

Le mélange vertical dans l’océan contribue au maintien de la Cellule Méridienne de Circulation Océanique (MOC) en permettant le renouvellement des eaux profondes. Une coupe transverse d’une partie de la MOC est réalisée par la radiale hydrologique OVIDE qui a lieu tous les 2 ans depuis 2002 entre le Portugal et le Groenland. L’énergie nécessaire au mélange est fournie par les ondes internes générées par le vent et la marée, et des mesures de micro-structure (VMP) en 2008 montrent des valeurs de dissipation Evmp intensifiées dans la thermocline principale et au niveau des topographies. Notre étude se base sur ces observations pour étudier la fine-structure verticale de l’océan et estimer indirectement la dissipation E due aux ondes internes à l’aide de mesures CTD et LADCP. La comparaison au mesures du VMP permet d’optimiser la paramétrisation de E en encadrant les observations par facteur 3 et leurs valeurs moyennes à ±30%. L’application sur l’ensemble des données OVIDE permet d’obtenir une cartographie du mélange a travers le bassin. La distribution géographique de la diffusion verticale K est similaire le long des 5 sections, avec des valeurs de l’ordre de 10−4m2/s dans la thermocline principale, au fond et au niveau des topographies, et de l’ordre de 10−5m2/s dans l’océan intérieur. Des différences régionales sont présentes et K peut être localement proche de 10−3m2/s. L’étude de la section FOUREX 1997 révèle une intensification de K le long de la dorsale médio-Atlantique où les valeurs moyennes sont de 2 à 3 plus fortes que le long des sections OVIDE. La distribution spatiale des échelles de Thorpe LT est corrélée avec celle du mélange. Néanmoins la dissi-pation basée sur LT surestime Evmp d’un facteur 10 à100, ce qui pourrait être dû à une mauvaise représentation de la durée de vie de la turbulence dans l’océan. Certains mécanismes susceptibles de générer des ondes internes sont proposés. Des sites possibles de génération par la marée sont localisés à l’aide d’un modèle simple de la trajectoire des rayons d’ondes. Une corrélation possible entre les mouvements géostrophiques et les ondes internes est envisagée dans la thermocline principale. Enfin l’étude des angles de Turner montre que des instabilités de double-diffusion peuvent être présentes sur une grande partie de la section. / Vertical mixing in the ocean contributes to sustain the Meridionnal Overturning. Circulation (MOC) by allowing the renewal of deep waters. A section across the MOC is performed by the hydrological radial OVIDE repeated every two years between Portugal and Greenland since 2002. The energy required for mixing is provided by internal waves generated by wind and tides and micro-structure measurements(VMP) in 2008 show intensified values of dissipation Evmp in the main thermocline and near topographies. Our study is based on these observations and aims tostudy the vertical fine-scale structure of the ocean. Estimates of the dissipation E due to internal waves are made with CTD and LADCP measurements. The comparison with VMP measurements allow us to optimize the parameterization of E by framing the observations by factor 3 and their mean values at ±30%. The systematic application to the OVIDE dataset provides a mapping of the mixing across the basin. Geographical distribution of the vertical diffusion K is similar along the five sections, with values near10−4m2/s in the main thermocline and at the bottom of topographies, and near 10−5m2/s in the ocean interior. Regional differences are present and K can belocally close to 10−3m2/s. Application to FOUREX1997 datas et reveals an increase of K along the Mid-Atlantic Ridge, where the average values are 2 to 3stronger than along OVIDE sections. The spatial distribution of Thorpe scales LT appears to be correlated with internal waves mixing patterns. Nevertheless dissipation estimates based on LT overestimates Evmp by a 10 to 100 factor, which maybe due to misrepresentation of the stage of turbulence development in the ocean. Some mechanisms that can generate internal waves are proposed. Probable sites where tidal generation could occur are located using a simple model of wave beam trajectory. A possible correlation between geostrophic flows and internal waves is considered in the main thermocline. Finally the study of Turnerangles shows that double-diffusion instabilities may bepresent over a large part of the section.