La formation des systèmes convectifs est un processus complexe qui s'étend de l'échelle synoptique, avec la mise en place de circulations favorisant la convection, à la micro-échelle, avec les processus de formation et de croissance des hydrométéores. C'est aux échelles les plus fines que se concentre cette thèse dont l'objectif est d'étudier l'apport d'une microphysique complexe sur l'occurrence et la morphologie d'évènements fortement précipitants. La microphysique évaluée est celle du schéma LIMA, de type bulk à deux moments, capable de prendre en compte l'évolution d'une population d'aérosols multimodale et le traitement pronostique de son interaction avec les nuages et les précipitations. Dans un premier temps, l'apport de la microphysique de LIMA est évalué en comparaison à la microphysique bulk à un moment du schéma ICE3, moins sophistiqué et actuellement opérationnel à Météo-France dans le modèle AROME. Afin de mesurer l'apport de ce nouveau schéma sur la simulation de cas fortement précipitants tels que ceux qui touchent régulièrement le sud-est de la France à l'automne, deux cas d'étude de la campagne HyMeX ont été simulés avec Meso-NH et comparés aux nombreuses observations disponibles. Si l'évaluation des cumuls de précipitations montre un impact modéré de l'un ou l'autre des schémas microphysiques, l'écart est plus marqué en terme de composition et de structure des systèmes convectifs : la microphysique à 2 moments développe une structure verticale plus réaliste et introduit plus de variabilité sur les champs microphysiques. L'évaluation a aussi identifié des biais dans le schéma, notamment une surestimation des diamètres de gouttes de pluie. Des pistes d'amélioration de la microphysique de LIMA ont alors été proposées et évaluées sur les mêmes cas. Des tests de sensibilité à l'initialisation de la population d'aérosols ont ensuite été menés. Il s'avère que les aérosols n'affectent pas uniquement les hydrométéores primaires (gouttelettes d'eau nuageuse et cristaux de glace) mais aussi les autres hydrométéores, engendrant des impacts sur le développement des systèmes convectifs simulés, en termes de composition nuageuse et de précipitations. Les simulations avec une population d'aérosols réaliste initialisée à partir des analyses CAMS ont montré un impact modéré sur les cumuls de précipitations mais une amélioration plus significative de l'évolution temporelle du système (intensification, dissipation) et de la composition nuageuse, réduisant le diamètre des gouttes de pluie sur les cas d'étude. / The triggering and growth of Convective systems is a complex process that extends from the synoptic scale, with the establishment of atmospheric circulations promoting convection, to the microscale, with the formation and growth processes of hydrometeors. This PhD focuses on these finest scales and investigates the contribution of complex cloud-microphysics to the occurrence and morphology of heavy precipitation events. The two-moment microphysical scheme LIMA evaluated in this study takes into account the evolution of a multimodal aerosol population and the prognostic treatment of its interaction with liquid and ice clouds and precipitation. First, the contribution of LIMA is evaluated in comparison to the ICE3 one-moment bulk microphysical scheme, which is less sophisticated and currently operational in the AROME model at Météo-France. In order to measure the performance of this new scheme, two case studies of the HyMeX campaign were simulated with the Meso-NH model and compared to a wide variety of available measurements. The assessment of cumulative precipitation shows a moderate impact of each of these microphysical schemes, but the difference is more pronounced in terms of convective systems composition and structure: the two moment microphysics develops a more realistic vertical structure and introduces more microphysical variability. The evaluation also identified biases in the scheme (such as an overestimation of rain drop diameters). Some improvements to the implementation of LIMA were proposed and evaluated on the same cases. Then, the scheme is used to perform a sensitivity test to the aerosol population on the same case studies. Tests on the concentration of idealized populations have shown that aerosols do not only affect primary production of cloud droplets and ice crystals but also precipitating hydrometeors, causing impacts on the development of simulated convective systems in terms of cloud composition and generated precipitation. Simulations based on a realistic aerosol population initialized from CAMS analyses also showed a moderate impact on cumulative precipitation, but a more significant improvement on the temporal evolution of the system (intensification, dissipation) and cloud composition, leading to a reduction of rain drop diameters in the studied cases.

L’étude des propriétés et processus microphysiques caractérisant la phase glace permet de mieux définir le rôle des nuages dans le cycle de l’eau et sur bilan radiatif de l’atmosphère. Les modèles atmosphériques et les codes d’inversion des données de télédétection utilisent des paramétrisations établies à partir de mesures in situ. Ces mesures servent également des besoins industriels en lien avec la problématique du givrage en aéronautique. L’étude présentée se base sur les données de deux campagnes aéroportées réalisées dans le cadre de la collaboration internationale HAIC-HIWC, ciblant les zones à fort contenu en glace que l’on peut observe rau sein des systèmes convectifs à méso-échelle (MCS) tropicaux. Sur la question des relations « masse-diamètre » (m - D) d’abord, une nouvelle approche est présentée. Basée sur la résolution d’un problème inverse, elle permet de restituer la masse des cristaux à partir de mesures colocalisées classiques en s’affranchissant de la traditionnelle hypothèse de loi puissance, et montre que cette dernière ne permet pas de représenter correctement les propriétés massiques de populations de cristaux hétérogènes (morphologie et tailles différentes) typiques des MCS. La variabilité horizontale des distributions de tailles permet d’étudier le vieillissement de l’enclume d’un point de vue microphysique et de souligner le rôle essentiel du processus d’agrégation dans l’élimination des petits cristaux apportés dans la haute troposphère par la convection profonde et dans la formation d’agrégats supra-millimétriques, précurseurs glacés des précipitations stratiformes. Les relations m - D restituées permettent d’identifier des régimes microphysiques distincts et ouvre la voie aux développement d’une paramétrisation de la masse volumique des hydrométéores en fonction de critères environnementaux. / The detailed characterization of ice cloud microphysics is key to understand their role in theEarth’s hydrological cycle and radiation budget. The developement of atmospheric models and remote sensingalgorithms relies on parametrisations derived from in situ measurements. These measurements are also usedby the aviation industry to handle the problem of ice crystal icing. This PhD work presents an analysis of themass and size properties of ice crystals observed in high ice water content areas embedded in tropical mesoscaleconvective systems (MCS) during two airborne field campaigns of the HAIC-HIWC international project.A new approach is developped to derive mass-size relationships (m - D) from size distributions and icewater contents. The retrieval is formulated as an inverse problem which waives the power law constraint, aclassical assumption that proves to be an oversimplification when applied to heterogeneous populations of iceparticules typical of MCS anvils.The horizontal variability of size distributions and the aging of MCS anvils is described in terms of microphysicalprocesses. The importance of the aggregation growth process is emphasized as it efficiently removessmall ice particles brought into the upper troposphere by deep convection and significantly contributes to theformation of large agregates, precusor of the stratiform precipitations. The analysis of mass properties revealsthat distinctive microphysical regimes may be identified from the m-D relationship retrieved in various conditions.It paves the way toward a statistical model of the effective density of ice particles as a function of environmentalparameters.

Les épisodes de fortes précipitations, caractéristiques du climat méditerranéen, souffrent parfois d'importantes erreurs de prévision. Ces erreurs proviennent essentiellement d'incertitudes sur les conditions initiales du modèle ou la représentation des processus physiques. L'impact des différentes sources d'incertitudes est classiquement étudié à partir de prévisions d'ensemble. Au cours de ce travail, nous avons développé une méthodologie d'ensemble visant à étudier la sensibilité des prévisions à différentes configurations initiales des anomalies dynamiques d'altitude. Ces anomalies sont des zones à fort gradient, susceptibles de constituer des zones d'erreurs de prévision privilégiées. Elles sont par ailleurs un précurseur connu des perturbations météorologiques. La méthodologie proposée repose sur l'advection de la variable conservative associée aux anomalies d'altitude : le tourbillon potentiel (PV). Le modèle utilisé, MIMOSA, advecte le PV sur un niveau isentrope, sur une grille de haute résolution, permettant de mieux représenter les petites échelles et les zones de gradient tout en contrôlant les grandes échelles grâce à une relaxation vers un PV de contrôle. Le PV MIMOSA a été introduit dans un modèle en équations primitives à l'aide d'un outil d'inversion du PV. Le choix retenu pour l'inversion est un algorithme qui fournit des solutions équilibrées au sens des équations du modèle. Différentes configurations d'advection du PV ont fourni un ensemble de conditions initiales au modèle de prévision ARPEGE. Cet ensemble dénommé ARPEGE-MIMOSA, a été appliqué à 5 cas réels de fortes précipitations : le premier épisode, ou "catastrophe de Draguignan" sur le département du Var le 15 juin 2010, est associé à une prévisibilité particulièrement faible ; les 4 autres cas ont été observés en 2012 durant la campagne HyMeX et ont été utilisés comme un premier échantillon pour évaluer l'apport statistique du système de prévision d'ensemble ARPEGE-MIMOSA. Le cas du 15 juin 2010 a fait l'objet d'une étude détaillée, qui a notamment confronté l'impact de perturbations d'altitude à celui des perturbations de basse-couche. Pour cette situation, nous concluons que les incertitudes des champs d'altitude ont joué un rôle mineur durant la première phase de l'épisode en raison d'une absence de couplage entre les anomalies de surface et d'altitude. Le rôle des incertitudes de surface a été examiné au moyen de plusieurs expériences perturbées: des modifications manuelles de la pression au niveau de la mer et du champ d'humidité se sont avérées toutes deux capables d'améliorer la première phase de l'épisode. Cette amélioration a été attribuée au déclenchement d'un système fortement précipitant le long d'une zone frontale. Pour la seconde phase de l'épisode, nous avons mis en évidence le rôle de l'humidité à travers une simulation qui permet de se rapprocher du scénario observé sans toutefois atteindre le niveau de précipitation observé. Une explication alternative a été alors proposée, mettant en jeu l'insuffisance du modèle à reproduire la progression d'une onde d'altitude dans un contexte fortement diabatique. Enfin, une évaluation objective du système de prévision d'ensemble ARPEGE-MIMOSA a été réalisée à partir des 4 cas HyMeX. Les résultats obtenus avec l'ensemble ARPEGE-MIMOSA ont été comparés aux résultats issus de deux systèmes de prévision d'ensemble opérationnels. Cette comparaison a permis de mieux quantifier l'erreur de prévision attribuable à la seule dynamique d'altitude et de mettre en évidence la valeur ajoutée du système ARPEGE-MIMOSA pour les seuils de fortes précipitations.