L’objectif de cette thèse est d’obtenir une meilleure connaissance des ondes de gravité atmosphériques, de leurs sources et caractéristiques, et de leur propagation au moyen d’observations ballons et de simulations. Les ballons pressurisés (SPBs) utilisés dans cette thèse sont une des meilleures plateformes d’observations des ondes de gravité, et permettent d’obtenir l’ensemble de leurs caractéristiques. Les modèles à haute résolution donnent une description complète de l’écoulement, non seulement des ondes, mais aussi de leurs sources. Nous avons combiné mesures par SPBs et modélisation pour décrire les ondes de gravité et évaluer le réalisme des champs d’ondes de gravité dans des sorties de modèles. En s’appuyant sur les observations de PreConcordiasi (2010), les ondes de gravité convectives sont décrites aux Tropiques sur l’ensemble de la campagne, ainsi que sur un cas de cyclone tropical en développement. Dans un deuxième temps, les observations de la campagne Concordiasi (2010) nous permettent de quantifier le réalisme du champ d’onde de gravité résolu aux hautes latitudes (hémisphère sud) décrit dans les analyses de l’ECMWF. Un bon accord géographique et saisonnier est observé pour les flux de quantité de mouvement et l’intermittence. Cependant, il est montré que la magnitude des flux est sous-estimée dans les analyses de l’ECMWF. Enfin, une contribution aux campagnes opérationnelles ballons est apportée, en se focalisant sur les ballons stratosphériques ouverts qui sont le plus grand défi pour le CNES. Pour des cas d’étude lors de la campagne Strapolété (2009), nous montrons que l’incertitude sur la position de retombée des ballons peut être réduite dans une configuration simple en assimilant des observations par radiosondages. / The goal of this thesis is to obtain a better knowledge of the atmospheric gravity waves in the atmosphere, of their sources and characteristics, and their propagation using balloon observations and modeling. The superpressure balloons (SPBs) used in this thesis are one of the best platform to observe gravity waves, and allow us to retrieve the ensemble of their characteristics. High-resolution models provide a complete description of the flow, not only of the waves, but also of their sources. We have combined SPB measurements and modeling in order to describe the gravity waves and evaluate the gravity wave field in model outputs. Using the observations from PreConcordiasi (2010), the convective gravity waves are described in the Tropics during the whole campaign, and also for a case of developing Tropical Cyclone. Second, observations from the Concordiasi campaign (2010) allow us to quantify the realism of the resolved gravity wave field in the ECMWF analyses at high latitudes (Southern Hemisphere). A good geographical and seasonal agreement is found for the momentum fluxes and the intermittency. However, it is shown that the magnitude is underestimated in the ECMWF. Finally, we bring a contribution to the operational balloon campaigns, with a focus on the open stratospheric balloons, which constitute the greatest challenge for the CNES. For cases during the Strapolété campaign, we show that the uncertainty on the final touchdown position of the balloons can be reduced using a simple setup that assimilates radiosoundings.

Cette thèse s’intéresse aux ondes de gravité et à la turbulence dans la région de la tropopause tropicale (TTL pour tropical tropopause layer, entre 14 et 18 km d’altitude), et à leurs impacts sur les cirrus.Dans un premier temps, les fluctuations de température et de vent vertical induites dans la TTL par les ondes de gravité sont quantifiées et caractérisées à partir de mesures provenant de vols de ballons stratosphériques longue durée. Les perturbations observées sont comparées aux champs de fluctuations résolues par différents modèles atmosphériques globaux. À la lumière des observations, différentes méthodes de paramétrisation des fluctuations de température sont discutées.Dans un second temps, l’influence des ondes équatoriales et de gravité sur la microphysique des cirrus est étudiée. On considère d’abord l’impact des ondes de gravité de haute fréquence sur la nucléation des cristaux de glace. La question du rôle des anomalies de vent vertical induites par les ondes de basse fréquence sur le transport de la glace est ensuite abordée et son impact quantifié à l’aide d’observations in situ. Enfin, on étudie la formation et l’évolution d’un cirrus de grande échelle à l’aide de simulations numériques. Parmi les différents processus en jeu (radiatifs,...), on montre l’importance d’une onde équatoriale de grande échelle dans la structuration et l’évolution du champ nuageux.Dans une dernière partie, les fluctuations de vents de petite échelle dans la TTL, interprétées comme de la turbulence, sont étudiées à partirdes observations avion de la campagne ATTREX au-dessus de l’océan Pacifique. Leur impact sur le transport vertical de différents traceurs est quantifié. Il est inférieur à l’impact de l’upwelling équatorial de grande échelle mais néanmoins significatif. / Atmospheric waves and turbulence and their impacts on cirrus clouds in the Tropical Tropopause Layer (TTL, 14-18 km altitude) are studied using in situ observations, numerical simulations and theoretical approaches.First, long-duration stratospheric balloon measurements are used to analyze Lagrangian temperature and vertical wind fluctuations induced by gravity waves at the tropical tropopause. The amplitude and intermittency of wave fluctuations are assessed, and the observations are compared with resolved wave fluctuations in atmospheric models. Methods to parameterize Lagrangian temperature fluctuations are then discussed.Then, some impacts of waves on cirrus clouds microphysics are examined. We first consider the influence of high frequency gravity waves on the ice nucleation process. Next, we explore the interplay between ice crystal sedimentation and advection by the wind perturbations induced by low frequency waves. At last, we use numerical simulations to investigate the formation of a large-scale cirrus in the TTL. We demonstrate the role of large-scale equatorial waves and quantify the relevance of different processes (dynamics, radiative heating,...) in the cloud evolution.Finally, small-scale wind fluctuations, interpreted as turbulent bursts, are characterized using aircraft measurements from the ATTREX campaign in the tropical Pacific. The impact of the fluctuations on vertical mixing and on the TTL tracer budget is quantified. The vertical transport induced by turbulent mixing is found to be smaller than that induced by mean tropical upwelling, but nonetheless significant.