L'ozone est un constituant minoritaire secondaire de l'atmosphère. C'est un gaz à effet de serre et un polluant nocif pour la biodiversité dans la troposphère. Il peut être transporté de la stratosphère ou de la couche limite vers la troposphère libre et parcourir de longues distances au-dessus des continents et des océans. L'objectif de cette thèse est de contribuer à l'analyse des tendances à long terme des concentrations d'ozone dans la troposphère et à la compréhension des sources de cette variabilité temporelle. Pour cela, nous avons utilisé les mesures de deux instruments basés à l'Observatoire de Haute Provence (OHP) dans le sud de la France (44˚N, 6.7˚E), des sondes ECC (Electro-chemical Concentration Cell) embarquées sous ballon et un lidar UV DIAL. Les travaux menés au cours de cette thèse ont montré qu'il est indispensable de les combiner pour prendre en compte la diversité des conditions météorologiques. En effet, notre analyse montre un biais systématique d'environ 1.3 ppb entre les moyennes saisonnières obtenues avec chacun des instruments qui est compatible avec les résultats des campagnes d'inter-comparaison mais qui est beaucoup plus faible que les différences importantes (> 7 ppb) dues à la variabilité du transport du fait des différences d'échantillonnage. En combinant les deux jeux de données, le lien entre la variabilité de l'ozone et celle du transport (NAO, hauteur de la tropopause, origine des masses d'air) a été étudié. Dans la haute et moyenne troposphère aucune tendance significative n'est observée, malgré une corrélation significative avec la NAO et un changement pour la dernière décennie dans les apports d'ozone à 500 hPa pour certains régimes de transport. En revanche, une tendance négative après 2000 est observée dans les basses couches. Elle peut être expliquée par une augmentation de la couche de mélange accompagnée d'une augmentation des flux de sud et une diminution de l'apport en ozone pour ces régimes de transport. La caractérisation des masses d'air arrivant à l'OHP avec d'autres paramètres tels que l'humidité spécifique, la vorticité potentielle et les aérosols a permis d'expliquer certaines sources de variabilité des concentrations d'ozone. L'apport des mesures d'aérosol issues de deux ans d'observations du lidar spatial CALIOP reste cependant limité et d'autres mesures d'aérosols doivent être prises en compte.

L'incidence rasante est un problème spécifique, qui apparaît notamment lorsqu'une antenne est placée sur un mât (télécommunications, défense...) ou sur la côte (surveillance environnementale ou militaire de l'espace maritime). Elle rend la modélisation du problème de diffraction difficile, de par le faible niveau de rétrodiffusion et l'importance de phénomènes complexes comme la diffusion multiple. La question reste importante même si l'écho est très faible, puisqu'il est potentiellement suffisant pour perturber le bon fonctionnement de systèmes antennaires microondes sur un navire. Il porte de plus des informations intéressantes sur l'état de la mer, comme cela a été démontré aux bandes HF et VHF. Un modèle rigoureux de diffraction tridimensionnelle précédemment développé est étendu au calcul des quatre polarisations fondamentales (polarisations Horizontale et Verticale des ondes incidente et réfléchie). Il permet désormais de prendre en compte la conductivité finie de la surface, point crucial dans le cas d'une polarisation incidente Verticale. L'opérateur hyper-singulier impliqué dans l'équation intégrale discrétisée par la méthode des moments est étudié pour évaluer la précision des calculs numériques.Les méthodes approchées de diffraction permettent des calculs numériques beaucoup plus rapides, et sont donc en pratique incontournables. Le modèle rigoureux est donc utilisé, en conjonction avec des données expérimentales, pour servir de référence permettant d'étudier la précision, en incidence rasante et dans le cas de la surface de la mer, de ces méthodes approchées. Nous étudions en particulier la méthode à deux échelles GOSSA, et proposons une correction à son comportement aux angles rasants.Le mouvement de la surface de la mer crée un décalage de fréquence radar dans l'onde rétrodiffusée (effet Doppler), décalage mesuré expérimentalement et que l'algorithme de méthode des moments permet de simuler. Nous étudions par des simulations bidimensionnelles l'évolution du décalage Doppler micro onde avec l'incidence, et l'influence des nonlinéarités de la surface de la mer. Le comportement limite en incidence rasante est précisé, et les contributions respectives des phénomènes électromagnétiques et hydrodynamiques discutées.

Ce travail entre dans le cadre d'un programme de recherche consistant à développer des outils d'optimisation de la prise de décision des régatiers face aux situations micro-météorologiques complexes rencontrées lors des compétitions olympiques ou de match-racing. Notre objectif est l'amélioration des connaissances de l'évolution du vent sur les plans d'eau de régates côtières. Un dispositif d'étude de la micro-météorologie en baie de Quiberon incluant un volet expérimental et un volet numérique, a été mis en place. Plusieurs situations météorologiques ont été rencontrées pendant la campagne de mesures Quiberon2006 (16-29 Juin 2006). L'analyse des données collectées montre, à partir d'une classification en quadrants, l'influence du vent synoptique sur les transitions et les développements des phénomènes de brise. Des simulations à haute résolution spatiale de certaines journées sélectionnées ont été menées avec le modèle atmosphérique ARPS pour appréhender les effets de sites liés au découpage de la côte et à la présence de la presqu'île. La représentation fine de la topographie et des modes d'occupation des sols s'appuie sur l'analyse de la base de données CORINE Land Cover. Les champs météorologiques d'échelle régionale, servant de forçage au modèle à haute-résolution, proviennent d'assimilations effectuées avec le modèle WRF. La capacité des modèles à reproduire les phénomènes micro-météorologiques côtiers en site complexe est évaluée par comparaison aux données expérimentales. L'approche de modélisation à haute résolution permet de caractériser les comportements du vent à l'échelle du plan d'eau, caractéristiques difficilement quantifiables expérimentalement.

Pour étudier la variabilité de la salinité de surface (SSS) dans l'océan Atlantique tropical aux échelles de temps saisonnières à interannuelles, nous avons utilisé des observations in-situ et satellitaires et des résultats de la modélisation océanique. Nous avons montré que la densité et la qualité des observations disponibles permettent de calculer le bilan de sel dans la couche de mélange dans le bassin Atlantique tropical. Ce bilan de sel de la couche de mélange est beaucoup plus sensible aux courants de surface qu'aux flux d'eau douce. Les mécanismes qui modulent la variabilité de la SSS dans l'Atlantique tropical et plus spécifiquement dans la région du Golfe de Guinée ont été déterminés. Il ressort qu'à l'ouest et au nord-est du bassin tropical, la variabilité saisonnière de la SSS est pilotée par l'advection et les flux d'eau douce alors qu'au centre du bassin, c'est principalement les flux d'eau douce qui contrôlent le bilan de sel. Par contre, dans le Golfe de Guinée, les flux d'eau douce ne jouent pas un grand rôle dans le bilan de sel, le cycle saisonnier de la SSS résultant en un équilibre entre les processus verticaux (advection et diffusion) qui augmentent la SSS et l'advection horizontale qui la diminue. La variabilité interannuelle de la SSS étudiée spécifiquement dans le Golfe de Guinée révèle que, dans les régions nord et équatoriale, les changements de SSS sont dus à des changements des précipitations et d'évaporation et les changements dans les processus océaniques (advection et diffusion verticale). Au sud de ces régions, seuls les changements dans les processus océaniques peuvent expliquer les anomalies de SSS. On a observée une salinisation au nord-est du Golfe de Guinée durant la période 2002-2009 qui résulte principalement d'une diminution des pluies dans la région. Enfin, nous avons montré que les fleuves ont pour rôle d'amplifier le signal de la SSS et qu'ils ont un impact sur la profondeur de la couche de mélange, les courants de surface et la température de surface de la mer.

L'assimilation de données lidar pour la modélisation de la qualité de l'air est étudiée via le développement d'un modèle d'assimilation des observations d'un réseau lidar au sol par la méthode d'interpolation optimale (IO) dans un modèle de chimie-transport. Dans un premier temps, un outil d'assimilation des concentrations de PM10 (particules en suspension dans l'air dont le diamètre est inférieur à 10 um) sur la verticale est développé dans la plateforme de modélisation de la qualité de l'air POLYPHEMUS. Cet outil est appliqué sur l'Europe de l'Ouest, du 15 juillet au 15 août 2001, afin d'étudier l'impact potentiel d'un futur réseau lidar au sol sur la modélisation et les prévisions (la description de l'avenir) des PM10. En utilisant un réseau lidar fictif, l'efficacité de l'assimilation des mesures d'un réseau lidar est comparée à celle d'assimiler des mesures de concentrations du réseau au sol AirBase, qui comprend environ 500 stations sol en Europe de l'Ouest. Des études de sensibilité sur le nombre et la position géographique des lidars sont également menées afin d'aider à définir un réseau lidar optimal pour les prévisions des PM10. Ensuite, un modèle de simulation de signal lidar normalisé (PR2) est construit et intégré dans POLYPHEMUS. Il est évalué par comparaison aux mesures d'un lidar mobile et d'un lidar fixe en Île-de-France durant la campagne d'été du programme de recherche européen MEGAPOLI (Megacities : Emissions, urban, regional and Global Atmospheric POLlution and climate effects, and Integrated tools for assessment and mitigation, juillet 2009). Les résultats montrent que ce modèle reproduit correctement la distribution verticale des propriétés optiques des aérosols et leur variabilité temporelle. Deux nouveaux algorithmes d'assimilation de signaux lidar sont également introduits et évalués durant la campagne MEGAPOLI. Les simulations des concentrations en masse d'aérosol avec et sans assimilation de données lidar sont évaluées en utilisant les données d'AIRPARIF (un réseau opérationnel régional pour la qualité de l'air en Île-de-France) pour démontrer la faisabilité et l'utilité de l'assimilation des signaux lidar pour les prévisions d'aérosols. Enfin, POLYPHEMUS, avec le modèle d'assimilation des signaux lidar, est appliqué dans le bassin Méditerranéen, où 9 lidar du réseau ACTRIS/EARLINET et 1 lidar à Corse ont effectué une période de 72 heures de mesures intensives et continues en juillet 2012 (Pre-CHArMEx). Les paramètres dans le modèle d'assimilation des signaux lidar sont aussi étudiés pour mieux caractériser son impact spatial et temporel sur les prévisions d'aérosols.

Cette thèse s'insère dans un cadre de modélisation réaliste pour l'étude de la mer d'Iroise. Les deux premières parties concernent la mise en œuvre numérique et la validation par rapport aux observations. L'accent est ensuite mis sur l'analyse des principales structures et processus physiques à l'œuvre en mer l'Iroise : d'abord le front de marée d'Ouessant et les processus associés de connexion de couches de mélange de surface et de fond puis la circulation résiduelle eulérienne moyenne pour laquelle nous avons cherché à quantifier la part relative des différents processus la régissant. Nous avons ensuite cartographié les différents régimes dynamiques présents : on observe ainsi des régimes cyclostrophiques autour des îles et en zone peu profonde et un régime géostrophique apparaît nettement au niveau du front, en particulier en été. Néanmoins, dans la plus grande partie du domaine d'étude, les différents termes dynamiques interviennent de manière équivalente. Du point de vue thermique, l'analyse du bilan de chaleur indique que les flux air-mer dominent nettement les flux advectifs bien qu'ils induisent une modulation haute fréquence marquée du gain net de chaleur. Ensuite, un paramètre diagnostic du front a ensuite été établi et le rôle de différents forçages externes (flux de chaleur air/mer, tension de vent, cycle de marée mortes-eaux/vives-eaux) sur la variabilité du front d'Ouessant est mis en relief grâce à des expériences de sensibilité. Enfin, l'étude des échanges de masse cross-frontaux, basée sur une technique de suivi de particules lagrangiennes, a été mise en place. La méthodologie apparaît robuste et les premiers résultats indiquent que ces exports s'effectuent selon des 'canaux' privilégiés de latitude.

Ce travail de thèse est consacré à la problématique de l'extraction de signaux dans le domaine des sciences de l'atmosphère. Le point commun des problèmes considérés est la notion de détection et d'estimation de signaux cachés. L'approche par la modélisation probabiliste s'est avérée y être bien adaptée. Nous nous sommes attachés à répondre à différentes questions telles que : quel type d'information s'attend-on à trouver dans un jeu de données ? Le signal supposé caché se trouve-t-il réellement dans les données d'étude ? Comment détecter l'instant d'occurrence d'un phénomène, comment le caractériser (timing, amplitude ...) ? Si un tel signal est détecté, quelle (in)certitude est associée à cette détection ? Nous répondons à ces différentes questions au travers du développement de différents modèles probabilistes de détection d'évènements cachés. Nous nous sommes intéressés à différents modèles non stationnaires, dont deux sont notamment présentés dans un cadre multivarié. Au travers de trois modèles probabilistes décrivant des signaux cachés divers (rupture de variance, signaux éruptifs et changement de moyenne), nous avons aussi développé des méthodes associées de détection. Le premier modèle est appliqué à la détection de nuages stratosphériques polaires dans des profils lidar, le deuxième à des éruptions volcaniques dans des séries chronologiques de sulfate et enfin le troisième est appliqué à la détection de la date de l'onset de la mousson Africaine dans des données géophysiques liées à la dynamique atmosphérique et aux précipitations. Les différentes méthodes mises en place font appel à une variété de techniques de modélisation probabiliste allant de la maximisation de rapport de vraisemblance associée à des tests d'hypothèses à la résolution de filtres de Kalman dans un cadre non stationnaire et non linéaire pour la décomposition de séries multivariées couplée à la détection des signaux cachés. Les difficultés techniques liées à l'extraction de signaux cachés sont analysées et les performances des différents algorithmes sont évaluées. Les résultats obtenus confirment l'intérêt des méthodes probabilistes appliquées à ces problématiques de signaux cachés en sciences de l'atmosphère.

Dans cette thèse je me suis intéressée à l'observabilité de la variabilité de la dynamique océanique de surface du Golfe de Gascogne à partir d'observations satellite et in situ et de simulations numériques basées sur le code SYMPHONIE. Les objectifs sont d'améliorer notre connaissance des processus haute fréquence (de quelques heures à quelques jours) forcés par l'atmosphère et d'évaluer l'adéquation des outils disponibles pour l'observation et la représentation de ces processus. Dans une première approche, j'ai estimé la capacité d'un jeu de données altimétriques côtier à observer la variabilité de l'Iberian Poleward Current (IPC) durant l'hiver 2004. Les résultats ont montré qu'un tel jeu de données était capable de détecter les pulses de l'IPC et que l'altimétrie est un outil complémentaire aux observations de SST et in situ pour le suivi de l'IPC. Dans une seconde approche, j'ai étudié la réponse de l'océan au passage de la tempête Klaus du 24 janvier 2009 simulée par le modèle. J'ai caractérisé la réponse en température et salinité et les processus de mélange associés, la réponse en courant de surface et le phénomène de surcote. Le réalisme du modèle a été évalué par comparaison avec des observations satellites et in situ. Une part importante de mon travail a été accordée à l'amélioration des performances de ma configuration du modèle avec la réalisation de tests sur les paramétrisations.

La prévision d'intensité des cyclones tropicaux est un enjeu opérationnel majeur qui connaît encore de graves déficiences. Cette thèse vise à mieux comprendre les mécanismes d'intensification cyclonique en lien avec un thalweg d'altitude originaire des moyennes latitudes et à mettre en évidence le rôle des conditions initiales pour la prévision cyclonique. Une première étude climatologique définit un seuil objectif pour l'intensification rapide des cyclones dans le Sud-Ouest de l'océan Indien, caractérise la localisation et la fréquence des interactions cyclone-thalweg, tout en identifiant les configurations propices à l'intensification. Le cas de Dora (2007) est identifié pour simuler l'interaction grâce à un modèle numérique en assimilant les caractéristiques du cyclone dans une analyse globale. L'interaction cyclone-thalweg simulée est particulièrement complexe. Dans un premier temps, du tourbillon potentiel provenant du thalweg se superpose au coeur du cyclone en moyenne et en haute troposphère. Ensuite, un forçage dynamique induit une accélération de la circulation cyclonique tangentielle dans une région extérieure au mur de l'oeil principal, provoquant un cycle de remplacement du mur de l'oeil. Le modèle simule correctement les différentes phases d'intensification du cyclone, ce qui permet de relier l'intensification aux effets du thalweg sur le cyclone. Une deuxième étude numérique dans le Pacifique Nord-Ouest met en évidence le rôle de la structure initiale d'un cyclone sur la prévision de trajectoire et d'intensité. La prévision cyclonique future progressera en affinant la structure du coeur cyclonique spécifiée dans l'état initial de la prévision.

Dans le contexte actuel de changements climatiques, il est crucial d'approfondir nos connaissances des nuages de glace fins (TIC) et de leurs paramètres intensifs et extensifs. Les TICs peuvent avoir pour effet de refroidir ou de réchauffer le climat, en fonction de leurs paramètres météorologiques et microphysiques. Ainsi, l'épaisseur optique (COD) et la taille des particules sont essentiels pour pouvoir simuler les nuages de glace dans les modèles climatiques. L'objectif de notre recherche est d'évaluer le potentiel des mesures radiométriques infrarouge thermique (IRT) afin d'inverser le COD et le diamètre effectif (Deff ) des particules des nuages de glace en Arctique. Une étude de la sensibilité des mesures IRT aux paramètres d'études a permis de conclure que le COD engendre des fortes variations en termes de température de brillance alors que la taille entraîne des variations du second ordre. Nous avons également précisé la sensibilité de l'IRT à d'autres paramètres tels que le contenu en vapeur d'eau, l'altitude et l'épaisseur du nuage, la forme des particules et leur type de distribution. En s'appuyant sur la sensibilité de l'IRT aux paramètres d'études, nous avons développé une méthode d'inversion basée sur une méthode de recherche de concurrence entre les mesures radiométriques et des simulations réalisées par un modèle de transfert radiatif, pour lesquelles varient le COD ainsi que Deff. L'étape de validation s'effectue avec les résultats d'inversion du LIDAR et du RADAR présents sur le site d'étude. La méthode d'inversion et la validation ont été appliquées sur 100 cas de TICs observés à la station polaire d'Eureka, Nunavut, Canada (80 N, 86 W). Les résultats présentés montrent une bonne inversion du COD et ont permis d'effectuer une classification des TICs en termes de TIC1 (pour les cristaux de Deff< 30 microns) et de TIC2 (Deff> 30 microns et jusqu'à 300 microns). Nous avons également testé l'influence des divers paramètres sur les résultats de l'inversion. Les résultats de l'inversion ont permis de classifier les TICs durant deux hivers. Au terme de cette recherche, nous avons proposé des perspectives d'application de la méthode d'inversion en insistant sur les originalités de ce travail.