La façade littorale du Grand Port Maritime de Dunkerque est une cellule sédimentaire quasi-fermée où les formes dunaires résultent de l'imbrication de facteurs humains et naturels. Ce littoral peut être divisé en deux parties : la partie Ouest est constituée d'un cordon bordier sur une longueur de 7 km (plage du Clipon) et le long de la partie Est, la plage est adossée à une digue en enrobé bitumineux de 6 km de long (digue du Braek) où des transferts sableux se produisent. L'objectif de cette étude est de (1) caractériser les formes dunaires et leur évolution sur un site artificiel, (2) quantifier le transport éolien sur le haut de plage, le versant externe de la dune bordière et la digue du Braek, et (3) proposer des mesures de gestion afin de remédier aux contraintes d'exploitation engendrées par les dépôts éoliens sur les infrastructures. A moyen terme (28 ans), l'analyse diachronique de photographies aériennes montre que les superficies dunaires ont fortement augmenté depuis 1983. A court terme (2 ans), des mesures topographiques révèlent que les dunes continuent de se développer aujourd'hui mais gardent la marque des interventions anthropiques passées. Sur la digue du Braek, des formes dunaires se sont naturellement constituées sur l'asphalte. Le sable a été colonisé par Ammophila arenaria qui s'est enraciné sous l'enrobé par l'intermédiaire de fissures. Une typologie de ces dunes de digue a été proposée. A l'Est, des dunes se développent en pied de digue en raison de l'interruption des transferts sédimentaires longitudinaux par une jetée. Des piégeages éoliens in situ ont montré que le transport éolien était essentiellement contrôlé par la vitesse du vent et la source de sable disponible. Par vents frontaux et obliques, les dunes de pied de digue constituent la principale source des envols, et le transport éolien est favorisé par une accélération du vent sur le versant exposé. Différents types de brise-vent ont été testés sur l'ensemble du site afin de trouver le meilleur mode de gestion souple de ces envols de sable. Ces analyses montrent que si la localisation des structures brise-vent a une grande influence sur leur efficacité, les systèmes habituellement utilisés sur les plages (ganivelles, filets synthétiques) peuvent aussi favoriser le développement de dunes sur une digue en asphalte. Les mesures de gestion envisagées sont la stabilisation des principales sources de sable en pied de digue ainsi que le renforcement de la dune bordière aux endroits les plus fragiles.

Le travail présenté dans cette thèse s'inscrit dans la problématique du transport éolien du sable.<br />L'étude principale porte sur un aspect particulier du transport par saltation. La saltation désigne le mouvement par saut des grains de sable emportés par le vent. Lors du rebond du grain en saltation sur le lit de sable, certains grains peuvent ètre éjectés. Ce mécanisme d'éjection a été étudié à partir d'une expérience modèle de collision d'une bille sur un empilement bidimensionnel de mêmes billes. Une étude détaillée de ce processus a été réalisée, en fonction de la vitesse d'impact de la bille incidente, de la hauteur de l'empilement, des propriétés élastiques des billes ainsi que de la géométrie de l'empilement. Des lois de distribution des vitesses d'éjection ont été établies. Par ailleurs, nous avons montré que le processus d'éjection est extrèmement sensible au désordre au sein de l'empilement: dans le cas d'un empilement désordonné, un plus grand nombre de billes est éjecté. Enfin, nous avons développé un modèle phénoménologique basé sur une description simplifiée de la propagation à travers l'empilement, de l'onde de déformation générée par le choc. Ce modèle permet d'interpréter certains résultats expérimentaux du processus d'éjection. <br />La dernière partie de cette thèse aborde certains aspects du transport éolien à une autre échelle: celle des structures éoliennes telles que les rides et les dunes. Un modèle de formation des rides éoliennes est proposé qui est capable de prédire l'évolution spatio-temporelle de ces structures. Les paramètres du modèle sont reliés directement aux lois d'éjection déterminées expérimentalement. Nous avons mis en évidence notamment un phénomène de murissement des rides: la longueur d'onde augmente au cours du temps, ce qui est observé expérimentalement.

La façade littorale du Grand Port Maritime de Dunkerque est une cellule sédimentaire quasi-fermée où les formes dunaires résultent de l’imbrication de facteurs humains et naturels. Ce littoral peut être divisé en deux parties : la partie Ouest est constituée d’un cordon bordier sur une longueur de 7 km (plage du Clipon) et le long de la partie Est, la plage est adossée à une digue en enrobé bitumineux de 6 km de long (digue du Braek) où des transferts sableux se produisent. L’objectif de cette étude est de (1) caractériser les formes dunaires et leur évolution sur un site artificiel, (2) quantifier le transport éolien sur le haut de plage, le versant externe de la dune bordière et la digue du Braek, et (3) proposer des mesures de gestion afin de remédier aux contraintes d’exploitation engendrées par les dépôts éoliens sur les infrastructures. A moyen terme (28 ans), l’analyse diachronique de photographies aériennes montre que les superficies dunaires ont fortement augmenté depuis 1983. A court terme (2 ans), des mesures topographiques révèlent que les dunes continuent de se développer aujourd’hui mais gardent la marque des interventions anthropiques passées. Sur la digue du Braek, des formes dunaires se sont naturellement constituées sur l’asphalte. Le sable a été colonisé par Ammophila arenaria qui s’est enraciné sous l’enrobé par l’intermédiaire de fissures. Une typologie de ces dunes de digue a été proposée. A l’Est, des dunes se développent en pied de digue en raison de l’interruption des transferts sédimentaires longitudinaux par une jetée. Des piégeages éoliens in situ ont montré que le transport éolien était essentiellement contrôlé par la vitesse du vent et la source de sable disponible. Par vents frontaux et obliques, les dunes de pied de digue constituent la principale source des envols, et le transport éolien est favorisé par une accélération du vent sur le versant exposé. Différents types de brise-vent ont été testés sur l’ensemble du site afin de trouver le meilleur mode de gestion souple de ces envols de sable. Ces analyses montrent que si la localisation des structures brise-vent a une grande influence sur leur efficacité, les systèmes habituellement utilisés sur les plages (ganivelles, filets synthétiques) peuvent aussi favoriser le développement de dunes sur une digue en asphalte. Les mesures de gestion envisagées sont la stabilisation des principales sources de sable en pied de digue ainsi que le renforcement de la dune bordière aux endroits les plus fragiles. / The coastline of Dunkirk seaport is a sedimentary cell where dune morphology is the result of both natural processes and human intervention. This shoreline can be divided in two parts: a western part of 7 km long, where a macrotidal beach is backed by naturally developing coastal dunes, and an eastern part consisting of a 6 km long asphalt dike overtopped in places by low elevated aeolian dunes. This study aims at (1) describing aeolian dunes and their evolution on a human-altered coast, (2) quantifying aeolian sand transport on the upper beach, the seaward slope of the foredune and the asphalt dike, and (3) suggesting management measures in order to solve windblown sand accumulation problems on harbour infrastructures. On the middle term (28 years), diachronic analysis of aerial photographs shows rapid development of dunes area since 1983. On the short term (2 years), topographic surveys reveal that dune development is still ongoing, although dune morphology keeps the marks of passed human interventions. Dunes have naturally developed on asphalt and their formation is initiated by Ammophila arenaria colonisation of numerous perpendicular cracks in the dike. A typology of these dunes is proposed. Dike toe dunes have developed at the beach/dike contact in the most eastern part of the site, where a jetty is interrupting net sediment transport. In situ field measurements revealed that aeolian sand transport is mainly controlled by wind speed and the source of sand available. Under oblique to direct onshore winds, dike toe dunes are the main source of windblown sand on the dike, and aeolian transport is enhanced by a wind speedup on the windward slope. Different kinds of windbreaks have been tested in order to solve uncontrolled aeolian sand transport problems on the dike, as well as to consolidate foredunes. It appeared from the topographic surveys carried out on the windbreaks that although their location seemed to play a major role on the amount of sand captured, fences and synthetic fabrics deployed on sandy surfaces were also able to trap windblown sand on a seaport dike. Management measures considered are a stabilisation of main sand sources at the dike toe and consolidation of foredunes with windbreaks.

Le transport de la neige par le vent est une composante importante de l'interaction entre l'atmosphère et la cryosphère. En zone de montagne, il influence la distribution temporelle et spatiale de la couverture neigeuse au cours de l'hiver et a en premier lieu des conséquences sur le danger d'avalanche. La modélisation numérique de ce phénomène permet d'étudier les interactions complexes entre le manteau neigeux et le vent et d'en estimer les conséquences de manière distribuée. Dans ce contexte, cette thèse décrit le développement et l'évaluation d'un modèle couplé atmosphère/manteau neigeux dédié à l'étude du transport de la neige par le vent en zone de montagne reposant sur le modèle atmosphérique Meso-NH et le modèle détaillé de manteau neigeux Crocus. Le transport de la neige par le vent a été étudié sur le site expérimental du Col du Lac Blanc (massif des Grandes Rousses, France). Une base de données d'épisodes de transport couvrant dix hivers a tout d'abord été utilisée pour déterminer les caractéristiques principales de ces épisodes. Des simulations avec le modèle Crocus (non couplé à Meso-NH) ont ensuite montré qu'il était nécessaire de tenir compte des transformations mécaniques des grains de neige induites par le vent afin de simuler une évolution réaliste de la vitesse seuil de transport. Le site expérimental a également été le siège de deux campagnes de mesures en 2011 et 2012 visant à collecter de données de validation pour le modèle. Elles renseignent sur les conditions météorologiques près de la surface, sur les quantités de neige transportées et sur la localisation des zones d'érosion et de dépôt de la neige grâce à l'utilisation d'un laser terrestre. Le modèle de transport de neige par le vent Meso-NH/Crocus a été développé. Il intègre le transport de la neige en saltation et en suspension turbulente ainsi que la sublimation des particules de neige transportée. Un schéma à deux moments permet de simuler l'évolution spatiale et temporelle de la distribution en taille des particules. L'utilisation d'un schéma de couche limite de surface à l'interface entre Meso-NH et Crocus s'est révélé nécessaire pour représenter les forts gradients de concentration en particules de neige observés près de la surface. Meso-NH/Crocus est le premier modèle couplé atmosphère/manteau neigeux capable de simuler de manière interactive le transport de la neige par le vent en zone alpine. Meso-NH/Crocus a été évalué en relief réel grâce aux données collectées lors de la première campagne de mesure en 2011. La simulation d'un épisode de transport sans chute de neige simultanée montre que le modèle reproduit de manière satisfaisante les principales structures d'un écoulement en relief complexe ainsi que les profils verticaux de vitesse de vent et de flux de particules de neige en suspension près de la surface. En revanche, la résolution horizontale de 50 m est insuffisante pour reproduire avec précision la localisation des zones d'érosion et de dépôt autour du Col du Lac Blanc. La prise en compte de la sublimation réduit la quantité de neige déposée de l'ordre de 5%.Les techniques de descente d'échelle dynamique (grid nesting) ont ensuite été utilisées pour simuler un second épisode de transport avec chute de neige. L'augmentation de la résolution horizontale intensifie les contrastes de vitesse de vent entre versants au vent et sous le vent. En revanche, elle modifie peu les quantités et les structures spatiales des précipitations solides autour du Col du Lac Blanc. Lorsqu'il est activé, le transport devient la principale source d'hétérogénéités des accumulations neigeuses / Blowing and drifting snow are crucial components of the interaction between the cryosphere and the atmosphere. In mountainous areas, it affects the temporal and spatial distribution of snow depth throughout the winter season and influences avalanche formation. Numerical modeling offers a solution for studying the complex interaction between the snowpack and the wind field and to assess the related processes in a spatially distributed way. In this context, this PhD describes the development and the validation of a coupled snow/atmosphere model which is dedicated to the study of blowing and drifting snow in alpine terrain. The coupled model consists in the atmospheric model Meso-NH and the detailed snowpack model Crocus. Blowing and drifting snow have been monitored at the Col du Lac Blanc (Grandes Rousses range, French Alps) experimental site. A database consisting of blowing snow events observed over 10 years allowed us to identify the main features of these events. Numerical simulations using Crocus illustrated the necessity of taking the wind-dependence of snow grain characteristics into account in order to simulate satisfactorily the occurrence of blowing snow events. We also carried out two measurement campaigns at our experimental site in 2011 and 2012 in order to collect validation data for the model. This includes measurements of vertical profiles of wind speed and snow particle fluxes near the surface and the mapping of areas of erosion and deposition using terrestrial laser scanning. The coupled Meso-NH/Crocus model has been developed in order to account for blowing and drifting snow. It simulates snow transport in saltation and in turbulent suspension and includes the sublimation of suspended snow particles. In the atmosphere, a double-moment scheme allows the model to simulate the spatial and temporal evolution of the snow particle size distribution. The implementation of a surface boundary layer scheme at the interface between Meso-NH and Crocus turned out to be necessary to reproduce the strong vertical gradient of snow particle concentration near the surface. Meso-NH/Crocus is the first coupled snow-atmosphere model that can simulate snow transport in alpine terrain in an interactive way.Meso-NH/Crocus has been evaluated against data collected near Col du Lac Blanc during the first measurement campaign in 2011. The simulation of a blowing snow event without concurrent snowfall showed that the model captures the main structures of atmospheric flow in complex terrain, the vertical profile of wind speed and the snow particle fluxes. However, the horizontal resolution of 50 m is found to be insufficient to simulate the location of areas of snow erosion and deposition observed around Col du Lac Blanc. Blowing snow sublimation leads to a reduction in snow deposition of approximately 5%.We used downscaling techniques (grid nesting) to simulate a second blowing event with concurrent snowfall. The increase in horizontal resolution enhanced the contrast of wind speed between windward and leeward slopes. However, it only slightly affects the amount and the spatial pattern of snow precipitation around Col du Lac Blanc. When activated, blowing and drifting snow are the main sources of spatial variability of snow accumulation

Le transport de neige par le vent occasionne des nuisances qui entravent certaines activités du secteur des transports et du tourisme. Il déplace les dépôts de neige et modifie la structure du manteau neigeux. A ce titre, il participe à l'augmentation du risque d'avalanche. Ces différents aspects justifient l'activité de recherche menée depuis plusieurs années au Cemagref de Grenoble et dans laquelle cette étude trouve naturellement sa place. Ainsi les travaux précédents ont contribué à la modélisation physique et numérique de prévision du transport de neige par le vent. Cela dit, le transport éolien de particules met en jeu différents phénomènes complexes que les connaissances actuelles ne suffisent pas à décrire avec précision. Dans ce contexte, des travaux expérimentaux ont été conduits à la fois en soufflerie et sur le terrain. Ces derniers ont permis des premières investigations sur le comportement des fluctuations de concentration en régime permanent, en particulier par le biais de traitements d'images et d'analyses spectrales. Cette thèse a également porté sur la variabilité des profils de concentration en conditions naturelles, c'est-à-dire dans un écoulement turbulent instationnaire. Tous les résultats in-situ ont nécessité l'usage d'instruments adaptés dont certains ont du être réétalonnés de manière spécifique.

Le transport de la neige par le vent est une composante importante de l'interaction entre l'atmosphère et la cryosphère. En zone de montagne, il influence la distribution temporelle et spatiale de la couverture neigeuse au cours de l'hiver et a en premier lieu des conséquences sur le danger d'avalanche. La modélisation numérique de ce phénomène permet d'étudier les interactions complexes entre le manteau neigeux et le vent et d'en estimer les conséquences de manière distribuée. Dans ce contexte, cette thèse décrit le développement et l'évaluation d'un modèle couplé atmosphère/manteau neigeux dédié à l'étude du transport de la neige par le vent en zone de montagne reposant sur le modèle atmosphérique Meso-NH et le modèle détaillé de manteau neigeux Crocus. Le transport de la neige par le vent a été étudié sur le site expérimental du Col du Lac Blanc (massif des Grandes Rousses, France). Une base de données d'épisodes de transport couvrant dix hivers a tout d'abord été utilisée pour déterminer les caractéristiques principales de ces épisodes. Des simulations avec le modèle Crocus (non couplé à Meso-NH) ont ensuite montré qu'il était nécessaire de tenir compte des transformations mécaniques des grains de neige induites par le vent afin de simuler une évolution réaliste de la vitesse seuil de transport. Le site expérimental a également été le siège de deux campagnes de mesures en 2011 et 2012 visant à collecter de données de validation pour le modèle. Elles renseignent sur les conditions météorologiques près de la surface, sur les quantités de neige transportées et sur la localisation des zones d'érosion et de dépôt de la neige grâce à l'utilisation d'un laser terrestre. Le modèle de transport de neige par le vent Meso-NH/Crocus a été développé. Il intègre le transport de la neige en saltation et en suspension turbulente ainsi que la sublimation des particules de neige transportée. Un schéma à deux moments permet de simuler l'évolution spatiale et temporelle de la distribution en taille des particules. L'utilisation d'un schéma de couche limite de surface à l'interface entre Meso-NH et Crocus s'est révélé nécessaire pour représenter les forts gradients de concentration en particules de neige observés près de la surface. Meso-NH/Crocus est le premier modèle couplé atmosphère/manteau neigeux capable de simuler de manière interactive le transport de la neige par le vent en zone alpine. Meso-NH/Crocus a été évalué en relief réel grâce aux données collectées lors de la première campagne de mesure en 2011. La simulation d'un épisode de transport sans chute de neige simultanée montre que le modèle reproduit de manière satisfaisante les principales structures d'un écoulement en relief complexe ainsi que les profils verticaux de vitesse de vent et de flux de particules de neige en suspension près de la surface. En revanche, la résolution horizontale de 50 m est insuffisante pour reproduire avec précision la localisation des zones d'érosion et de dépôt autour du Col du Lac Blanc. La prise en compte de la sublimation réduit la quantité de neige déposée de l'ordre de 5%.Les techniques de descente d'échelle dynamique (grid nesting) ont ensuite été utilisées pour simuler un second épisode de transport avec chute de neige. L'augmentation de la résolution horizontale intensifie les contrastes de vitesse de vent entre versants au vent et sous le vent. En revanche, elle modifie peu les quantités et les structures spatiales des précipitations solides autour du Col du Lac Blanc. Lorsqu'il est activé, le transport devient la principale source d'hétérogénéités des accumulations neigeuses