La modélisation pluie-débit est une discipline des sciences hydrologiques qui s'intéresse principalement au cycle hydrologique afin d'aboutir à un outil de travail exploitable dans différents domaines. Deux dimensions définissent la modélisation pluie-débit. La première est l'échelle d'espace. Pour différentes superficies, allant d'une maille de quelques mètres carrés au bassin versant de quelques dizaines de milliers de kilomètres carrés, il existe une littérature très riche qui va de la proposition de divers types de modèles jusqu'à la critique de ceux ci. La deuxième dimension est l'échelle de temps. Du pas de temps horaire jusqu'au pas de temps pluriannuel, on trouve dans la littérature de nombreux modèles fonctionnant à chaque pas de temps. Cependant, rares sont les auteurs qui se sont intéressés à la modélisation avec une vue d'ensemble de tous les principaux pas de temps. La présente thèse tente de répondre à une question qui nous semble intéressante : peut-on tirer profit de l'échelle de temps dans la modélisation pluie-débit en vue d'obtenir des modèles plus efficaces et plus cohérents entre eux?<br />Nous nous sommes intéressés dans ce travail de recherche, aux pas de temps pluriannuel, annuel et mensuel. Pour chaque échelle de temps, nous avons procédé à une étude comparative des modèles tirés de la littérature en les testant sur un échantillon de 429 bassins versants de caractéristiques hydro-climatiques très variables. Grâce à des allers-retours entre les pas de temps, nous avons largement amélioré les modèles disponibles pour chaque pas de temps. Ainsi nous avons pu proposer trois modèles conceptuels globaux aux pas de temps pluriannuel, annuel et mensuel. De plus, suite à une vue d'ensemble de ces trois pas de temps, en y ajoutant le pas de temps journalier, nous avons décelé une cohérence dans la présence d'un échange souterrain indiquant clairement qu'un bassin versant est un système qui est ouvert sur toutes les frontières et pas seulement sur celle avec l'atmosphère.

L'objectif de notre recherche est d'améliorer les performances des modèles pluie-débit par une meilleure prise en compte de l'ETP au sein de ces modèles. Pour cela, l'échantillon de bassins versants étudiés devait représenter diverses conditions climatiques et hydrologiques. L'assemblage des différentes données collectées (pluie, débit et paramètres climatiques) a permis l'élaboration d'un échantillon de 308 bassins versants dont 221 français, 79 nord-américains et 8 australiens. L'avantage de travailler sur un échantillon assez vaste est de tirer des conclusions relativement libres de toute dépendance vis à vis des caractéristiques particulières de tel ou tel bassin. De plus, quatre modèles pluie-débit ont été utilisés: le modèle GR4J et des versions globales des modèles HBV, IHACRES et TOPMODEL. Tout d'abord, une étude de sensibilité de ces modèles pluie-débit à l'entrée d'ETP a été entreprise. Deux aspects ont été traités en particulier. La première motivation était de tester l'impact d'une connaissance fine du climat par rapport à une connaissance des normales (moyennes interannuelles). Les résultats ont confirmé le manque d'utilisation judicieuse de l'information datée contenue dans les formules d'ETP par les modèles pluie-débit. Le deuxième aspect était de tester plusieurs formules pour représenter les variations de l'ETP au sein des modèles pluie-débit. Les résultats ont montré là aussi une faible sensibilité des modèles quant au choix fait pour la formule d'ETP. Nous avons porté en particulier notre attention sur la formule de Penman, couramment utilisée en modélisation, car elle est la plus satisfaisante d'un point de vue physique, à l'échelle de la parcelle. En modélisation pluie-débit, elle est dépassée par d'autres formules plus simples (utilisant moins de données climatiques). Ainsi, nous pouvons parler de la pertinence d'autres formules que Penman pour la modélisation: des formules simples faisant intervenir uniquement la température de l'air sont aussi performantes que la formule de Penman. D'un point de vue opérationnel, ces résultats sont extrêmement rassurants puisqu'ils suggèrent qu'une entrée d'ETP simple à obtenir peut être utilisée à la place de formules d'ETP plus demandeuses en données. Cependant, d'un point de vue scientifique, le constat d'apparente insensibilité des modèles pluie-débit à l'entrée d'ETP est préoccupant. En effet, le modèle semble se contenter d'une représentation extrêmement simplifiée de la demande évaporatoire. Pourtant, il est légitime de penser que le modèle serait plus performant s'il prenait mieux en compte cette information supplémentaire. Les hypothèses avancées pour expliquer la faible sensibilité des modèles à l'entrée d'ETP sont multiples : - S'agit-il d'un phénomène naturel que le modèle retranscrit assez fidèlement ? - Faut-il remettre en cause la structure du modèle, notamment la partie traitant l'évaporation ? - Les formules d'ETP traditionnelles sont-elles inadaptées à la modélisation pluie-débit ? Alors que la première interrogation nous semblait difficile à investiguer, les deux autres étaient plus à la portée d'un utilisateur de modèles pluie-débit conceptuels. Pour cela, nous avons utilisé une approche par données synthétiques d'ETP qui permet notamment de lever toute incertitude sur la pertinence des données d'ETP. Les résultats ont montré que les différences entre ETP datées et interannuelles étaient presque totalement absorbées par les réservoirs de production des modèles pluie-débit. Le modèle se comporte donc comme un filtre passe-bas pour les données atmosphériques, atténuant ainsi la variabilité temporelle des entrées climatiques.

La mission Cassini-Huygens a été conçue dans le but d'étudier la planète Saturne et son environnement proche, notamment le satellite Titan. L'orbiteur Cassini possède à son bord un instrument radar en bande Ku (f=13.78 GHz) qui aura pour principal but de percer l'épaisse atmosphère de Titan et d'en imager la surface. Dans ce contexte, l'objectif de notre travail était de préparer l'interprétation des futures données du radar. Nous avons, pour ce faire, réalisé des simulations de la propagation de l'onde radar avec l'aide de mesures diélectriques effectuées en laboratoire, ceci afin d'anticiper les éventuelles perturbations liées à la traversée de l'épaisse atmosphère de Titan et à la rétrodiffusion sur sa surface. En raison de l'absence de données concernant les propriétés diélectriques micro-onde des particules qui composent les brumes de Titan, nous avons effectué des mesures de la constante diélectrique d'analogues d'aérosols synthétisés en laboratoire (aussi appelés tholins) autour de 13.78 GHz. Nous avons obtenu pour la partie réelle une valeur comprise entre 2 et 2.5, avec une tangente de perte allant de 10-3 à 5.10-2. Nous avons également rassemblé les valeurs de constante diélectrique des espèces susceptibles de composer l'atmosphère et la surface de Titan pour lesquelles il existait déjà des mesures dans le domaine micro-onde : hydrocarbures légers en phase liquide et solide, glace d'eau et silicates. Avec l'aide de ces mesures diélectriques, nous avons ensuite développé des simulations dédiées à l'étude du comportement de l'onde radar de Cassini tout au long de son parcours. Les résultats en termes d'atténuation atmosphérique sont les suivants : (1) les scénarios de brumes d'aérosols ne causent aucune atténuation et dans ces conditions l'onde radar atteint la surface de Titan sans subir aucune perte. Dans ces modèles d'atmosphère, le rayon des particules n'excède pas 1 um et l'atténuation résultante ne dépassent jamais 0.01 dB. (2) En revanche, lorsque une couche de pluie est ajoutée dans les derniers kilomètres, l'atténuation dépasse rapidement la limite de sensibilité de l'instrument radar. Une onde émergeant d'un tel nuage serait tellement atténuée qu'en retour, aucun écho de surface ne pourrait être détecté. Seule la composante réfléchie sur la couche de nuages pourrait être accessible. Les simulations de rétrodiffusion de surface démontrent également que l'on peut s'attendre à une rétrodiffusion plutôt faible, même pour des surfaces relativement rugueuses à la longueur d'onde du radar de Cassini. A travers une étude plus détaillée de la propagation du pulse de l'altimètre de Cassini et de son interaction avec l'atmosphère de Titan, nous sommes arrivés à la conclusion qu'il serait possible de détecter la présence hypothétique de nuages et de sonder un certain nombre de leurs propriétés (existence de pluies et extension des systèmes de nuages, taille, concentration et vitesse des particules).

La méthode SCHADEX (Simulation Climato-Hydrologique pour l'Appréciation des Débits EXtrêmes) est, depuis 2007, la méthode de référence pour le calcul de la crue de projet servant au dimensionnement des évacuateurs des barrages d'EDF (Électricité De France). Cette méthode vise à estimer les quantiles extrêmes de débits par un procédé de simulation stochastique qui combine un modèle probabiliste de pluie et un modèle hydrologique pluie-débit. L'objectif principal de cette thèse est la " validation " de la méthode SCHADEX, la compréhension de ses possibilités et de ses limites, notamment par des études de sensibilité aux hypothèses sous-jacentes et par sa confrontation à la plus large gamme possible d'observations (régions et climats contrastés, taille variable de bassins versants). La première étape de ce travail a porté sur la description probabiliste des événements pluvieux générateurs de crues, avec notamment l'introduction d'une distribution des pluies observées conditionnée par type de temps (distribution MEWP, Multi-Exponential Weather Patterns). Pour valider ce modèle probabiliste, nous avons comparé ses résultats à ceux de modèles classiques de la théorie des valeurs extrêmes. En nous appuyant sur une large base de données de stations pluviométriques (478 postes localisés en France, Suisse et Espagne) et sur une technique de comparaison orientée vers les valeurs extrêmes, nous avons évalué les performances du modèle MEWP en soulignant la justesse et la robustesse de ses estimations. Le procédé de simulation hydrologique des volumes écoulés suite à des événements pluvieux intenses (processus de simulation semi-continue) a été décrit en soulignant son caractère original et parcimonieux du point de vue des hypothèses d'extrapolation nécessaires, et sa capacité à extraire le maximum d'information des séries chronologiques traitées. En nous appuyant sur une base de données de 32 bassins versants, nous avons analysé la sensibilité de cette méthode (i) à ses paramètres de simulation (i.e. nombre de tirages, etc.), (ii) au modèle probabiliste de pluie et (iii) au modèle hydrologique pluie-débit. Cette étude nous a permis de figer certains paramètres de simulation et surtout de hiérarchiser les étapes et les options de simulation du point de vue de leurs impacts sur le résultat final. Le passage des quantiles extrêmes de volumes à ceux des débits de pointe est réalisé par un facteur multiplicatif (coefficient de forme), identifié sur une collection d'hydrogrammes. Une sélection de ces hydrogrammes par une approche semi-automatique, basée sur une technique d'échantillonnage sup-seuil, a été développée. Globalement, ce travail a permis de reformuler, justifier et vérifier les hypothèses de base de la méthode, notamment celles liées à l'aléa pluviométrique ainsi qu'à l'aléa " état hydrique " du bassin versant, et celles liées au procédé de simulation hydrologique semi-continue des écoulements. Des améliorations et des simplifications de certains points de la méthode ont aussi été proposées pour des estimations de débit extrêmes plus fiables et robustes. Une adaptation de la classification des journées par type de temps a été proposée pour étendre le calendrier de référence, de 1953-2005 à 1850-2003, en exploitant des informations simplifiées sur les champs de pression. La procédure de simulation hydrologique a été améliorée, notamment en conditionnant le tirage des épisodes pluvieux au type de temps, ce qui permet de mieux prendre en compte la dépendance pluie- température. Ces travaux ne mettent certainement pas un point final au développement de la méthode SCHADEX mais la fondent sur des bases méthodologiques saines et documentées. Ils proposent des perspectives de recherche sur des thématiques variées (e.g. prise en compte de variabilité de la forme des hydrogrammes de crue pour le passage au débit de pointe, modélisation hydrologique, estimation de crues extrêmes en bassins non jaugés ou en contexte non-stationnaire).

Les sécheresses exceptionnelles observées ces dernières années, ont montré la vulnérabilité de certaines activités humaines face à une pénurie de la ressource en eau. Le retour d'expérience de la sécheresse de 2003 a montré que cette situation aurait pu être mieux anticipée, incitant les services qui ont à charge la gestion des cours d'eau à se doter d'outils de prévision des étiages. Cette recherche porte sur l'analyse des étiages des cours d'eau de l'est de la France situés dans les bassins du Rhin et de la Meuse. L'objectif est de proposer une modélisation conceptuelle applicable pour la prévision opérationnelle. Un des intérêts réside dans le choix d'un nombre élevé de bassins, situés dans un contexte climatique homogène, mais aux caractéristiques géologiques diversifiées. Cet échantillonnage permet d'aborder une étude comparée du comportement des bassins et d'en expliquer la variabilité spatiale des écoulements en étiage. Dans un souci de transposabilité nous avons cherché à orienter notre démarche vers des méthodes uniques, applicables et reproductibles pour l'ensemble des bassins. Au final, malgré la diversité des milieux géologiques des bassins étudiés, des modèles uniques, aux paramètres descripteurs d'une réalité de terrain sont adoptés. Enfin, les incertitudes liées à la démarche conceptuelle ont pu être réduites grâce à l'analyse statistique, en proposant un compromis entre les fondements conceptuels et les applications employant les approches probabilistes.

Nous analysons les séries temporelles des glissements de terrain de Nouvelle-Zélande (NZ) en temps et en taux et mettons en évidence une corrélation dans les occurrences de glissements. Cette corrélation n'est pas due aux interactions glissement-séisme ou glissement-glissement mais aux interactions glissement-climat. Nous comparons la dynamique des glissements en temps, espace et taux pour la NZ, le Yosemite (Californie, Etats-Unis), Grenoble (Isère), Val d'Arly (Haute-Savoie), l'Australie et le Wollongong (New South Wales, Australie). Les taux journaliers de glissements de la NZ, du Yosemite, de l'Australie et du Wollongong acceptent une loi puissance pour des taux variant de 1 à 1000 glissements/jour. Cela suggère que les mêmes méchanismes sont à l'oeuvre pour le déclenchement de plusieurs centaines de glissements comme de un seul glissement. L'analyse jointe de ces six catalogues nous a permis de dériver des paramètres permettant de classer la dynamique de chaque endroit en terme de glissements. Enfin, nous comparons les distributions en espace des répliques sismiques et des glissements de terrain déclenchés par les séismes de Chi-Chi (Mw7.6 - Taiwan), du Kashmir (Mw7.6 - Pakistan), de Fiordland (Mw7.2 - NZ), de Northridge (Mw6.6 - Californie) et de Rotoehu (MW5.6 - NZ). Les répliques sismiques et les glissements présentent des distributions spatiales similaires. Nous ne trouvons pas de réponse linéaire entre les glissements et/ou les répliques et les observations de mouvements du sol. Nous suggérons que les glissements et les répliques sont contrôlés par les mêmes méchanismes et donc qu'il existe un rôle de la contrainte statique sur le déclenchement des glissements de terrain.

L'utilisation d'algorithmes de vision permettrait d'élargir le domaine d'application des systèmes d'aide à la conduite à d'autres situations telles que : les scènes urbaines ou les conditions météorologiques dégradées. À cette fin, trois nouvelles applications sont étudiées dans cette thèse pour la pluie et les feux tricolores. La pluie est la condition météorologique dégradée la plus fréquente. Nous comparons les modèles physiques et photométriques existants pour la pluie et les gouttes de pluie. Lors d'une conduite en temps de pluie de jour, les gouttes sur le pare-brise diminuent considérablement la visibilité du conducteur. Lorsqu'elles sont vue par une camera embarquée standard celles-ci apparaissent défocalisées. Ainsi, nous proposons de détecter ces gouttes hors-focus en utilisant soit une approche par manque de gradients soit par l'évaluation locale du flou. Lors d'une conduite de nuit sous la pluie, ce sont les phares qui paradoxalement diminuent la visibilité car leur lumière est réfléchie par les gouttes vers le conducteur. Nous appuyant sur la conception d'un simulateur physique, nous proposons un éclairage adaptatif qui illuminerait la scène sans éclairer les gouttes qui tombent. Les résultats de notre simulateur et le premier prototype construit montre que l'idée avancée pourrait efficacement améliorer la visibilité générale d'une scène. D'autre part, nous étudions la détection et le suivi de gouttes de pluie à grande vitesse. Les feux tricolores ont un rôle crucial dans la compréhension des scènes urbaines. Bien qu'il existe déjà des systèmes de détection de feux tricolores, les algorithmes actuels ne fonctionnent que dans des conditions simples. Ainsi, nous avons développé un algorithme de détection de feux tricolores qui utilise une détection en niveau de gris des spots lumineux et une classification par reconnaissance de modèle. L'approche ainsi conçue est assez flexible pour détecter différents types de feux tricolores même avec une camera à faible dynamique. Notre proposition a été évaluée sur des séquences acquises en France, Chine et Suisse.

Le travail de thèse a porté sur l'utilisation des données radar dans les domaines de la validation et de l'initialisation des modèles atmosphériques à échelle kilométrique. Dans la première partie, un simulateur radar sophistiqué et modulaire est développé dans le modèle atmosphérique à haute résolution Méso-NH. Des tests de sensibilité sur les différentes formulations utilisées pour décrire chaque processus physique impliqué dans les mesures radar (réflectivités et vents radiaux Doppler) sont effectués. Ils permettent de préciser le niveau de complexité nécessaire pour la simulation de la donnée radar à des fins de validation et pour l'opérateur d'observation à des fins d'assimilation des données radar. Dans la seconde partie, une méthode originale est développée pour assimiler les réflectivités. Cette méthode en deux temps, appelée 1D+3DVar, restitue d'abord des profils verticaux d'humidité à partir de profils de réflectivité par le biais d'une technique bayésienne qui utilise des colonnes voisines d'humidité et de réflectivité cohérentes du modèle. Les pseudo-observations restituées sont à leur tour assimilées par un système d'assimilation 3DVar à la résolution de 2,5 km. La méthode est évaluée et réglée avec à la fois des données simulées et réelles. On montre notamment le bénéfice de l'assimilation des données de réflectivité pour les prévisions à courte échéance de la situation des inondations exceptionnelles de septembre 2002 dans le Gard.

Le comportement des valeurs extrêmes de pluie en France a été analysé au travers de variables locales telles que les maxima annuels ou saisonniers de pluies mesurées sur différents pas de temps entre l'heure et la journée, les valeurs supérieures à un seuil élevé, ou la série temporelle de succession d'averses. Différents modèles, issus de la théorie des valeurs extrêmes uni-variée et bi-variée ou de générateurs stochastiques de pluie, ont été présentés pour étudier le comportement asymptotique de ces variables aléatoires. Dans le cas des séries temporelles d'averses, la persistance dans le temps des valeurs fortes a été modélisée à l'aide d'un processus Markovien. Les incertitudes associées aux différents modèles ont également été analysées, avec des méthodes bayésiennes ou fréquentielles. Nous avons pu valider nos modèles avec de longues séries de mesures pluviométriques, avec des chroniques de pluies horaires et avec des chroniques d'événements pluvieux décrits par des averses fournis par Météo-France et le Cemagref. Dans de nombreux cas, nous avons en particulier noté que la distribution des extrêmes est non bornée, et de queue plus lourde qu'une loi Gumbel ou exponentielle.

Nous étudions les mécanismes d'endommagement dus à l'érosion pluie sur des matériaux massifs et sur des matériaux revêtus. Pour cela, un banc d'essais spécifique a permis de mener des recherches en laboratoire. Le principe de l'essai repose sur l'émission de jets à haute vitesse et à haute fréquence.L'étude des matériaux massifs met en évidence un mécanisme de propagation de fissures par fatigue qui aboutit à des pertes de matière. Ces mêmes endommagements ont été observés sur des échantillons usés en service. Il a été confirmé que la dureté augmente la résistance à l'érosion pluie des matériaux métalliques.L'étude des revêtements s'est focalisée sur 2 technologies, à savoir la pulvérisation cathodique magnétron, qui est un procédé de déposition phase vapeur, et la projection thermique sous flamme supersonique. Les revêtements obtenus par projection thermique (dont l'épaisseur était supérieure à 200 μm), se sont révélés moins résistants à cause d'un manque d'adhérence ou de la présence de défauts au sein du matériau. Les revêtements obtenus par PVD (dont l'épaisseur était inférieure à 30 μm) ont permis d'obtenir des gains de résistance significatifs. Dans tous les cas, quel que soit la technologie utilisée, l'adhérence du revêtement s'est révélé être un paramètre critique en ce qui concerne la résistance de la surface à l'érosion pluie. Enfin, une simulation numérique en dynamique a permis d'étudier les champs de contraintes dans des feuillets métalliques, et ce, en faisant varier leurs épaisseurs, les matériaux qui les composent, et la vitesse d'impact. Les résultats de la simulation tendent à prouver que la propagation des ondes de contraintes dans le matériau peut entrainer des phénomènes de sur-contraintes dans les feuillets les plus fins à cause de la réflexion des ondes sur la face antérieure de la plaque.