Cette étude traite de la simulation de la variabilité spatiale et temporelle de la température de surface pour des sols avec relief.<br /><br /> L'approche 1D développée pour les modèles simplifiés consiste à exprimer la température en un point de la surface du sol avec relief comme une combinaison d'une température "ombre" et d'une température "soleil" du sol équivalent plat horizontal. Les phénomènes prépondérants de la variabilité de la température sont isolés par la réalisation de mesures en extérieur sur une maquette à profil sinusoïdal. Les mesures obtenues permettent de valider le code thermique 3D de référence.<br /><br />Différents modèles analytiques 1D sont développés et validés par rapport à ce code. L'application de la méthode "ombre/soleil" par passage dans l'espace de Fourier conduit à une bonne concordance entre le modèle et la solution de référence 3D.

La connaissance du microclimat et de l'évapotranspiration ou flux de chaleur latente qui représente la consommation réelle en eau de la culture à l'échelle des parcelles agricoles est une donnée importante pour comprendre le développement des cultures. La plupart des modèles permettant d'estimer l'évapotranspiration sont utilisés sur des surfaces homogènes sans tenir compte des interactions surface - atmosphère et de la variabilité spatiale du domaine agricole. Nous avons utilisé un modèle de couche limite atmosphérique afin de prendre en compte ces interactions. Une approche dite " patchée " permet d'introduire la variabilité spatiale des surfaces dans le modèle à partir des diverses proportions et des caractéristiques des principaux couverts végétaux qui composent le paysage. Une méthode d'assimilation variationnelle a été implémentée afin d'estimer certains paramètres du modèle difficile à connaître précisément. La méthode est basée sur le calcul de l'adjoint du modèle et utilise une température de surface observée par télédétection. L'approche développée est comparée à des approches plus simples considérant chaque type de surface indépendamment, mettant en évidence le rôle de la prise en compte de la variabilité spatiale de la surface sur la simulation du microclimat et des flux de surface

La température de surface de l'océan (SST) est depuis l'avènement des satellites, l'une des variables océaniques la mieux observée. Les modèles réalistes de circulation générale océanique ne la prennent pourtant pas en compte explicitement dans leur fonction de forçage. Dans cette dernière, seules interviennent les variables atmosphériques à proximité de la surface (température, humidité, vitesse du vent, radiations descendantes et précipitations) connues pour être entachées d'incertitudes importantes dès lors qu'on considère l'objectif d'étudier la variabilité à long terme de l'océan et son rôle climatique. La SST est alors classiquement utilisée en assimilation de données pour contraindre l'état du modèle vers une solution en accord avec les observations mais sans corriger la fonction de forçage. Cette approche présente cependant les inconvénients de l'incohérence existant potentiellement entre la solution " forcée " et " assimilée ". On se propose dans cette thèse de développer dans un contexte réaliste une méthode d'assimilation de données de SST observée pour corriger les paramètres de forçage atmosphérique sans correction de l'état océanique. Le jeu de forçage faisant l'objet de ces corrections est composé des variables atmosphériques issues de la réanalyse ERAinterim entre 1989 et 2007. On utilise pour l'estimation de paramètres une méthode séquentielle basée sur le filtre de Kalman, où le vecteur d'état est augmenté des variables de forçage dont la distribution de probabilité a priori est évaluée via des expériences d'ensemble. On évalue ainsi des corrections de forçage mensuelles applicables dans un modèle libre pour la période 1989-2007 en assimilant la SST issue de la base de données de Hurrel (Hurrel, 2008), ainsi qu'une climatologie de salinité de surface (Levitus, 1994). Cette étude démontre la faisabilité d'une telle démarche dans un contexte réaliste, ainsi que l'amélioration de la représentation des flux océan-atmosphère par l'exploitation d'observations de la surface de l'océan.

En période hivernale, la présence de verglas ou de neige sur les chaussées peut avoir de graves conséquences sur le trafic routier. Dans le but de servir d'outil d'aide à la décision pour les services d'exploitation routiers, un modèle permettant de simuler le comportement d'une couche de neige se déposant sur une chaussée a été développé. Le modèle résulte du couplage des modèles ISBA et CROCUS, respectivement modèles de sol et de neige de Météo-France et préalablement adaptés à la problématique de la route. Le modèle a été validé à partir d'épisodes de chute de neige sur chaussées observés au cours d'une campagne expérimentale antérieure à ce travail (au cours des hivers 1997/98, 1998/99 et 1999/2000), menée sur le site expérimental de Météo-France au Col de Porte (1320m, Isère). La validation a été effectuée d'abord avec les données météorologiques mesurées, puis dans un contexte de prévision à partir du forçage du modèle SAFRAN. Les prévisions sur le site expérimental se sont révélées satisfaisantes, ainsi le modèle a été spatialisé à l'échelle de la France avec un résolution horizontale de 8km. L'hiver 2004/2005, comportant de nombreux épisodes de chutes de neige sur chaussées, a été simulé. La validation a été effectuée à partir de données issues de stations météoroutières de diverses autoroutes et de mesures des stations de Météo-France.

La température des surfaces naturelles est un terme clé du bilan d'énergie et d'eau à l'interface entre le sol la végétation et l'atmosphère (SVA). Cette variable est accessible par télédétection dans le domaine spectral infrarouge thermique correspondant à une fenêtre atmosphérique pour les mesures spatiales. Dès lors, des mesures fréquentes de celle-ci au niveau du sol ou par satellite comme celles du capteur SEVIRI de MétéoSat8 (MSG) à la résolution du quart d'heure, permettent le suivi continu des échanges de surface. La représentation numérique de ces échanges pour les couverts végétaux par des modèles TSVA comme le modèle SEtHyS, utilisé pour cette étude, peut alors être contrainte par l'assimilation de la température de surface. La spécificité de ce travail de thèse a été de développer une méthodologie basée sur la dynamique de son cycle diurne pour suivre le bilan d'énergie et d'eau à l'interface SVA au niveau de la parcelle agricole puis à l'échelle du paysage hétérogène.

Un modèle de surface continentale (LSM en anglais) est un modèle numérique décrivant les échanges d'eau et d'énergie entre la surface terrestre et l'atmosphère. La physique de la surface de la terre comprend une vaste collection de processus complexes. L'équilibre entre la complexité du modèle et sa résolution, confronté à des limitations de calcul, représente une question fondamentale dans le développement d'un LSM. Les observations des phénomènes étudiés sont nécessaires afin d’adapter la valeur des paramètres du modèle à des variables reproduisant le monde réel. Le processus d'étalonnage consiste en une recherche des paramètres du modèle qui minimisent l’écart entre les résultats du modèle et un ensemble d'observations. Dans ce travail, nous montrons comment l'assimilation variationnelle de données est appliquée aux bilans d'énergie et d'eau du modèle de surface continentale ORCHIDEE afin d’étalonner les paramètres internes du modèle. Cette partie du modèle est appelé SECHIBA. Le logiciel YAO est utilisé pour faciliter la mise en œuvre de l'assimilation variationnelle 4DVAR. Une analyse de sensibilité a été réalisée afin d'identifier les paramètres les plus influents sur la température. Avec la hiérarchie des paramètres obtenue, des expériences jumelles à partir d'observations synthétiques ont été mises en œuvre. Les résultats obtenus suggèrent que l'assimilation de la température de surface a le potentiel d'améliorer les estimations de variables, en ajustant correctement les paramètres de contrôle. Enfin, plusieurs assimilations ont été faites en utilisant des observations de données réelles du site SMOSREX à Toulouse, France. Les expériences faites en utilisant différentes valeurs initiales pour les paramètres, montrent les limites de l'assimilation de la température pour contraindre les paramètres de contrôle. Même si l'estimation des variables est améliorée, ceci est dû à des valeurs finales des paramètres aux limites des intervalles prescrit de la fonction de coût. Afin de parvenir à un minimum, il faudrait permettre aux paramètres de visiter des valeurs irréalistes. Les résultats montrent que SECHIBA ne simule pas correctement simultanément la température et les flux et la relation entre les deux n’est pas toujours cohérente selon le régime (ou les valeurs des paramètres que l’on utilise). Il faut donc travailler sur la physique pour mieux simuler la température. En outre, la sensibilité des paramètres à la température n’est pas toujours suffisante, donnant une fonction de coût plate dans l’espace des paramètres prescrit. Nos résultats montrent que le système d'assimilation mis en place est robuste, puisque les résultats des expériences jumelles sont satisfaisants. Le couplage entre l'hydrologie et la thermodynamique dans SECHIBA doit donc être revu afin d'améliorer l'estimation des variables. Une étude exhaustive de l'erreur des mesures doit être menée afin de récupérer des termes de pondération dans la fonction de coût. Enfin, l'assimilation d'autres variables telles que l'humidité du sol peut maintenant être réalisée afin d'évaluer l'impact sur les performances de l’assimilation. / A land surface model (LSM) is a numerical model describing the exchange of water and energy between the land surface and the atmosphere. Land surface physics includes an extensive collection of complex processes. The balance between model complexity and resolution, subject to computational limitations, represents a fundamental query in the development of a LSM. With the purpose of adapting the value of the model parameters to values that reproduces results in the real world, measurements are necessary in order to compare to our estimations to the real world. The calibration process consists in an optimization of model parameters for a better agreement between model results and a set of observations, reducing the gap between the model and the available measurements. Here we show how variational data assimilation is applied to the energy and water budgets modules of the ORCHIDEE land surface model in order to constrain the model internal parameters. This part of the model is denoted SECHIBA. The adjoint semi-generator software denoted YAO is used as a framework to implement the 4DVAR assimilation. A sensitivity analysis was performed in order to identify the most influent parameters to temperature. With the parameter hierarchy resolved, twin experiments using synthetic observations were implemented for controlling the most sensitive parameters. Results obtained suggest that land surface temperature assimilation has the potential of improving the output estimations by adjusting properly the control parameters. Finally, several assimilations were made using observational meteorology dataset from the SMOSREX site in Toulouse, France. The experiments implemented, using different prior values for the parameters, show the limits of the temperature assimilation to constrain control parameters. Even though variable estimation is slightly improved, this is due to final parameter values are at the edge of a variation interval in the cost function. Effectively reaching a minimum would require allowing the parameters to visit unrealistic values. SECHIBA does not correctly simulates simultaneously temperature and fluxes and the relationship between the two is not always consistent according to the regime (or parameter values that are used). We must therefore work on the physical aspects to better simulate the temperature. Likewise, the parameter sensitivity to temperature is not always sufficient, giving as a result a flat cost function. Our results show that the assimilation system implemented is robust, since performances results in twin experiments are satisfactory. The coupling between the hydrology and the thermodynamics in SECHIBA must be reviewed in order to improve variable estimation. An exhaustive study of the prior errors in the measurements must be conducted in order to retrieve more adapted weighing terms in the cost function. Finally, the assimilation of other variables such as soil moisture should be performed to evaluate the impacts in constraining control parameters

L’objectif de ce mémoire est d’acquérir une connaissance détaillée sur l’évolution spatiale de la température de surface du sol (GST) au mont Jacques-Cartier et sur la réponse thermique de son îlot de pergélisol alpin aux changements climatiques passés et futurs. L’étude est basée sur un ensemble de mesures de température (GST, sous-sol) et de neige, ainsi que des modèles spatiaux de distribution potentielle de la GST et des simulations numériques du régime thermique du sol. Les résultats montrent que la distribution de la GST sur le plateau est principalement corrélée avec la répartition du couvert nival. Au-dessus de la limite de la végétation, le plateau est caractérisé par un couvert de neige peu épais et discontinu en hiver en raison de la topographie du site et l’action des forts vents. La GST est alors couplée avec les températures de l’air amenant des conditions froides en surface. Dans les îlots de krummholz et les dépressions topographiques sur les versants SE sous le vent, la neige soufflée du plateau s’accumule en un couvert très épais induisant des conditions de surface beaucoup plus chaude que sur le plateau dû à l’effet isolant de la neige. En raison de la quasi-absence de neige en hiver et de la nature du substrat, la réponse du pergélisol du sommet du mont Jacques-Cartier au signal climatique est très rapide. De 1978 à 2014, la température du sol a augmenté à toutes les profondeurs au niveau du forage suivant la même tendance que les températures de l’air. Si la tendance au réchauffement se poursuit telle que prévue par les simulations climatiques produites par le consortium Ouranos, le pergélisol pourrait disparaître d’ici à 2040-2050. / The objective of the study was to acquire detailed knowledge of the spatial evolution of the ground surface temperature (GST) on Mont Jacques-Cartier and the thermal response of its marginal permafrost body to the past and future climate changes. The study is based on temperature (GST, underground) and snow measurements, and spatial modeling of the potential GST distribution and numerical modeling of the ground thermal regime. The result showed that the spatio-temporal variability of the GST over the summit is mainly correlated with the snowpack distribution. On the wind-exposed plateau, the snowpack is thin and discontinuous. The GST is thus closely connected to the very cold air temperature in winter. In the krummholz patches and in the topographic depression on the leeward slope, drifted snow accumulation is significant leading to surface condition warmer than over the wind-exposed plateau. Because of the near snow-free condition of the plateau summit and the highly conductive nature of its bedrock, the response of the permafrost to the climate signal is rapid. From 1978 to 2014, the ground warmed at all depths. If the recent trend continues as predicted by the climate simulations provided by the Ouranos consortium, the complete disappearance of the permafrost body at Mont Jacques-Cartier could occur around 2040-2050.

Dans de nombreuses études micrométéorologiques, les modèles numériques prenant en compte les bâtiments considèrent généralement l'atmosphère comme neutre. Néanmoins, les transferts radiatifs urbains jouent un rôle important en raison de leur influence sur le bilan énergétique. Afin de prendre en compte le rayonnement atmosphérique et les effets thermiques des bâtiments dans les simulations de l'écoulement atmosphérique et la dispersion des polluants en milieux urbains, nous avons développé un modèle de rayonnement atmosphérique tridimensionnel (3D), dans le module atmosphérique du code de mécanique des fluides Code_Saturne. Le schéma radiatif a été précédemment validé avec des cas idéalisés, en utilisant dans un premier temps, un champ constant de vent 3D. Dans ce travail, le couplage des schémas radiatifs et thermiques avec le modèle dynamique est évalué. L'objectif de la première partie est de valider le couplage complet avec les mesures de la campagne de mesure américaine ‘Mock Urban Setting Test' (MUST) sur des géométries simples. La deuxième partie traite deux approches différentes pour modéliser les échanges radiatifs en milieu urbain avec une comparaison entre Code_Saturne et SOLENE. La troisième partie utilise le couplage complet pour montrer l'apport du modèle de transfert radiatif sur l'écoulement de l'air dans des conditions de faible vitesse du vent dans une canopée 3D. Dans la dernière partie, nous utilisons le couplage dynamique-radiatif pour simuler un environnement urbain réel et valider le modèle avec les données expérimentales de la campagne ‘Canopy and Aerosol Particle Interactions in Toulouse Urban Layer' (CAPITOUL) / In many micrometeorological studies, building resolving models usually assumea neutral atmosphere. Nevertheless, urban radiative transfers play an important role because of their influence on the energy budget. In order to take into account atmospheric radiation and the thermal effects of the buildings in simulations of atmospheric flow and pollutant dispersion in urban areas, we have developed a three-dimensional (3D) atmospheric radiative scheme, in the atmospheric module of the Computational Fluid Dynamics model Code_Saturne. The radiative scheme was previously validated with idealized cases, using as a first step, a constant 3D wind field. In this work, the full coupling of the radiative and thermal schemes with the dynamical model is evaluated. The aim of the first part is to validate the full coupling with the measurements of the simple geometry from the ‘Mock Urban Setting Test' (MUST) experiment. The second part discusses two different approaches to model the radiative exchanges in urban area with a comparison between Code_Saturne and SOLENE. The third part applies the full coupling scheme to show the contribution of the radiative transfer model on the airflow pattern in low wind speed conditions in a 3D urban canopy. In the last part we use the radiative-dynamics coupling to simulate a real urban environment and validate the modeling approach with field measurements from the ‘Canopy and Aerosol Particle Interactions in Toulouse Urban Layer' (CAPITOUL)

Ce travail se concentre essentiellement sur le glaciation de la fin du Saalien (160 -140 ka) en Eurasie. Les résultats du projet Quaternary Environment of the Eurasian North montrent que durant cette période, la calotte Eurasienne était plus grosse que durant le Dernier Maximum Glaciaire (LGM, 21 ka). Les paramètres orbitaux de ces deux périodes étaient différents alors que les concentration de gaz à effet de serre étaient identiques. Afin de comprendre comment cette calotte a pu atteindre cette taille en Eurasie durant la fin du Saalien, nous avons utilisé un modèle de circulation générale atmosphérique (AGCM), un AGCM couplé à une couche mixte océanique ainsi qu'un modèle de végétation pour explorer l'influence des paramètres régionaux, des températures de surface océaniques et des paramètres orbitaux sur le bilan de masse en surface (SMB) de cette calotte Saalienne.<br /> A 140 ka, les lacs proglaciaires, la végétation et les températures océaniques simulées refroidissent le climat régional, diminuant l'ablation le long des marges Sud. Les dépôt de poussière au contraire, réchauffent le climat. La présence d'un ice-shelf dans l'Océan Arctique durant le MIS 6 n'affecte pas le SMB de la calotte eurasienne. Selon les données géologiques, la calotte Saalienne avait atteint sa taille maximale avant 160 ka. L'insolation d'été dans les hautes latitudes montre un pic très net vers 150 ka. La climat simulé avant 140 ka est plus humide et l'ablation le long des marges sud est plus importante bien que le SMB reste positif. La calotte Saalienne semble avoir été suffisamment grosse pour générer son propre refroidissement régional et se maintenir en Eurasie jusqu'à la Terminaison II (130 ka).

L'objectif du travail de thèse est d'étudier les effets de température et du dopage sur les caractéristiques de gravure du Si et des polymères : produits de réaction, cinétiques, énergie d'activation, anisotropie, et sélectivité. La gravure anisotrope des polymères est ensuite étudiée en fonction de la température en utilisant des mélanges de gaz permettant d'utiliser un procédé par passivation latérale. Les résultats expérimentaux obtenus sont discutés en tenant compte de l'étude thermodynamique des systèmes chimiques concernés. Le travail s'achève par l'étude de faisabilité de filtres pour microfiltration par perçage de pores à travers des films polymère.