Ce travail de thèse a pour objectif d'évaluer l'apport des données altimétriques satellitaires sur le contrôle des circulations océaniques dans l'océan Atlantique Tropical par assimilation de données.<br />Une méthode d'Expériences de Simulations de Systèmes d'Observations (OSSE) a été appliquée en expériences jumelles avec le modèle de circulation océanique NEMO dans une configuration emboîtée d'une résolution spatiale de 0.25°.<br />Ces expériences ont été réalisées, de manière distinctes, pour deux phénomènes marquants de l'Atlantique Tropical : les ondes tropicales d'instabilités (TIW) et les tourbillons associés au courant du Brésil (NBC).<br />Nous avons testé différents systèmes satellitaires, comprenant des satellites existants (JASON-1, JASON-2, ou ENVISAT ...), des satellites programmés (SARAL) ou encore en projet tels que SWOT.<br />Pour ces derniers, différentes options d'orbites ont été envisagées.<br />Les principaux résultats obtenus ont montré que si un seul satellite est suffisant pour contrôler la propagation des TIW et des tourbillons du NBC, un système multi-satellitaire est nécessaire pour corriger avec précision leur structure verticale.<br />Certaines orbites se sont révélées plus favorables que d'autres pour corriger l'un des deux phénomènes, et l'existence de critères d'échantillonnage spécifiques (cycle de répétitivité, sous-cycles) est apparue comme déterminante.<br />Enfin, les apports de l'atimétrie à large fauchée (qui devrait être opérationnelle dans quelques années) ont été mis clairement en évidence.

L'estimation du mouvement est un sujet fondamental pour l'interprétation de séquences d'images. Cette thèse concerne l'étude de la dynamique des écoulements géophysiques visualisée par l'imagerie satellitaire. Une bonne compréhension de ces écoulements géophysiques permet l'analyse et la prévision des phénomènes, par exemple en océanographie et en météorologie. L'assimilation de données constitue le cadre idéal pour prendre en compte de manière optimale les diverses sources d'informations disponibles et en particulier les modèles numériques et les données. On se propose donc, dans cette thèse, d'appliquer des méthodes d'assimilation variationnelles de données, dites4D-Var, pour estimer le mouvement sur les séquences d'images. Une des limitations des techniques 4D-Var est l'importance du temps de calcul et de la mémoire nécessaire lors de leur application. Nous nous proposons, dans ce document, de définir une méthodologie basée sur la réduction de modèle afin de réduire ces limitations de façon significative. Nous étudions les possibilités qu'offre la réduction d'un modèle dynamique pour estimer le mouvement, en particulier afin d'imposer des contraintes issues de la physique aux solutions calculées. Différentes réductions sont discutées, au moyen d'une décomposition orthogonale propre, sur une base sinus pour un mouvement à divergence nulle, ou sur une base dédiée au domaine spatial étudié. Dans chaque cas, les résultats d'expériences synthétiques et sur des données satellite sont présentés

Les fonctions de sensibilité dites a posteriori permettent de caractériser des corrections aux conditions initiales qui peuvent réduire significativement l'erreur de prévision à une échéance donnée (typiquement 24 ou 48 heures). L'erreur est ici définie par l'écart à une analyse de vérification et la fonction de sensibilité ne peut donc être calculée qu'a posteriori. De telles structures dépendent de la nature de l'écoulement et ne sont pas prises en compte dans le modèle de covariance d'erreur de prévision stationnaire utilisé dans un système d'assimilation de données variationnelle 3D (3D-Var) comme celui du Centre Météorologique Canadien (CMC). Pour remédier à ceci, Hello et Bouttier (2001) ont introduit une formulation différente des covariances d'erreur de prévision qui permet d'inclure les fonctions de structure basées sur des fonctions de sensibilité a priori définissant la structure de changements aux conditions initiales qui ont le plus d'impact sur une prévision d'échéance donnée. Dans ce cas, l'amplitude de cette correction est déterminée en s'ajustant aux observations disponibles. Dans ce projet, une formulation différente est proposée et comparée à celle de Hello et Bouttier (2001). L'algorithme, appelé 3D-Var adapté, est tout d'abord présenté et analysé dans le cadre plus simple d'une analyse variationnelle 1D (1D-Var) pour être ensuite introduit dans le 3D-Var du CMC. L'impact du changement apporté a été étudié en utilisant les fonctions de sensibilité a posteriori associées à une prévision manquée sur la côte est de l'Amérique du Nord. En mesurant globalement l'erreur de prévision, la fonction de sensibilité indique qu'il est nécessaire d'apporter des corrections à l'analyse sur différentes régions du globe. Pour le 3D-Var adapté, ceci conduit à une fonction de structure non localisée et l'amplitude de la correction est caractérisée par un seul paramètre défini par l'ensemble des observations disponibles. En comparant aux prévisions issues du 3D-Var opérationnel ou de l'analyse de sensibilité, la prévision issue de l'analyse du 3D-Var adapté est améliorée par rapport à celle du 3D-Var conventionel mais nettement moins que celle issue de l'analyse de sensibilité. Par contre, le 3D-Var adapté améliore l'ajustement de l'analyse aux observations alors que l'analyse de sensibilité le dégrade. En localisant la mesure de l'erreur de prévision sur la région correspondant au système météorologique du cas étudié sur la côte est de l'Amérique du Nord, la fonction de sensibilité est maintenant localisée sur une région mieux délimitée (dite région sensible). Il est également possible de varier la fenêtre temporelle utilisée pour définir la fonction de sensibilité. L'impact sur la qualité de l'analyse et des prévisions résultantes a été étudié autant pour l'analyse de sensibilité que pour le 3D-Var adapté. Les résultats montrent que la définition d'une fonction de structure appropriée pour un système d'assimilation vise à simultanément concorder aux observations disponibles et améliorer la qualité des prévisions. Les résultats obtenus montrent que l'utilisation des fonctions de sensibilité comme fonctions de structures n'est pas immédiate. Bien que limitées à un seul cas, nos expériences indiquent certaines pistes intéressantes pour définir des fonctions de sensibilité pouvant être utilisées comme fonctions de structures. Ces idées pourraient s'appliquer également aux fonctions de sensibilité a priori.

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.

Cette thèse a développé et mis en œuvre des algorithmes itératifs d'assimilation de données pour un modèle d'océan aux équations primitives, et les a comparés avec d'autres méthodes d'AD bien établis tels que le 4Dvar et le Singular Evolutive Extended Kalman (SEEK) Filtre /lisseur. Le modèle numérique utilisé est le modèle NEMO. Il a été configuré pour simuler la circulation typique subtropicale en double gyre. Les nouveaux algorithmes itératifs proposés, semblables au Nudging direct et rétrograde - BFN, sont tous basés sur une séquence d'intégrations alternées du modèle direct et rétrograde. Ce sont le ''Backward Smoother'' (BS), qui utilise le modèle rétrograde pour propager librement des observations "futures" en rétrograde dans le temps, et le ''Back and Forth Kalman Filter'' (BFKF), qui utilise également le modèle rétrograde pour propager les observations en arrière dans le temps, mais qui à chaque fois qu'un lot d'observations est disponible, réalise une étape de mise à jour du système similaire à l'étape de mise à jour du filtre SEEK. Le formalisme Bayésien a été utilisé pour dériver ces méthodes, ce qui signifie qu'ils peuvent être utilisés avec n'importe quelle méthode qui estime la probabilité postérieure du système par des méthodes séquentielles. Les résultats montrent que l'avantage principal des méthodes basées sur le BFN est l'utilisation du modèle rétrograde pour propager les informations des observations en arrière dans le temps.

Producteur d'électricité, la CNR gère 19 barrages et 19 centrales hydroélectriques répartis le long du Rhône de la frontière Suisse à la Méditerranée. La majorité des aménagements de ce fleuve sont équipés de la commande prédictive. Cette méthode de régulation a nettement amélioré la gestion de ces aménagements. Cependant, il existe des situations qui perturbent le calcul de cette commande. L'objectif de ce travail de recherche est donc de mettre au point une méthodologie et des algorithmes pour détecter les sources d'erreurs, les corriger et recaler le modèle hydraulique sur lequel s'appuie le calcul de la commande, au fur et à mesure de l'acquisition des données observées. Pour cela, la méthode d'assimilation de données de type stochastique tel que le filtre de Kalman semble être la plus adaptée. L'hypothèse forte de cette méthode est la nécessité d'employer un modèle linéaire bien que le système étudié soit non-linéaire. De ce fait, analyser l'impact de la linéarisation du modèle et déterminer ses limites d'application, furent indispensable. Pour s'assurer de l'efficacité de cette méthode, une étude de la convergence du filtre a été menée. Puis les notions d'observabilité et de détectabilité ont été abordées afin de déterminer les hypothèses suffisantes à la convergence du filtre. Pour illustrer ces études, des tests sur des expériences jumelles ont été réalisés afin de voir si le filtre de Kalman joue bien son rôle d'estimateur d'état dans diverses situations jugées problématiques pour la régulation. L'originalité de ce travail a aussi été la possibilité de traiter des scénarii réels sur la plateforme de tests de la régulation de la CNR. Cet outil a donc servi à faire un comparatif entre la méthode de mise à jour des observations qui est actuellement utilisée pour la régulation des aménagements du Rhône et celle qui est étudiée dans ce travail de thèse.

Les variations du champ magnétique terrestre sont documentées par les observatoires au sol et les satellites en orbite basse, pour des échelles de temps de l'année au siècle.Sur ces périodes, la dynamique du noyau externe -- là où est principalement généré le champ magnétique -- est fortement influencée par la rotation terrestre, qui tend à imposer une invariance dans la direction parallèle à l'axe de rotation.Dans cette thèse, j'étudie un modèle s'appuyant sur cette hypothèse de bidimensionnalité du champ de vitesse, le modèle quasi-géostrophique.Je présente une nouvelle dérivation de ce modèle par une approche variationnelle, plus adaptée aux fortes pentes des frontières du domaine sphérique.Je présente une étude modale des ondes hydro-magnétiques, qui pour la première fois prend en compte l'impact d'un champ magnétique imposé non-zonal.Deux groupes d'ondes magnéto-hydrodynamiques apparaissent alors : les ondes magnéto-Coriolis (centennales) et les ondes d'Alfvéen de torsion (interannuelle).Je décris l'évolution des ondes à mesure que l'on intensifie l'effet de la rotation, jusqu'à atteindre des paramètres géophysiques.Je discute également dans quel mesure une version du modèle quasi-géostrophique où la force de Lorentz est représentée par des produits quadratiques du champ magnétique est adapté pour l'interprétation de calculs numériques tridimensionnels de la dynamo. J'observe que pour les paramètres aujourd'hui accessibles à ces calculs, les forces magnétiques sont faibles. À long terme, nous espérons utiliser le modèle quasi-géostrophique dans le contexte de l'assimilation de données satellitaires. / Variations of the Earth's magnetic field are documented by ground observatories and low-orbiting satellites, for time scales from year to century.On such periods, dynamics of the outer core -- where the creation of the magnetic field takes place -- is strongly influenced by the Earth rotation, which tends to impose invariance of the flow in the direction parallel to the rotation axis.In this thesis report, I study a model based on this bi-dimensional velocity field hypothesis, the quasi-geostrophic model.I present a new mathematical formulation of this model through a variational approach, better suited to steep slopes on the boundaries of the spherical domain.I present a modal study of hydromagnetic waves, taking into account for the first time the impact of a non-zonal imposed magnetic field.Two groups of hydromagnetic waves are present : centennial magneto-Coriolis waves and interannual torsional Alfvén waves.I describe evolution of those waves as the effect of rotation is intensified until Earth-like parameters are reached.I also discuss in what measure an other version of the quasi-geostrophic model, where Lorentz force is represented by quadratic products of the magnetic field, can be adapted to understand tridimensional dynamo numerical simulations.I observe that for parameters available today, magnetic forces are weak.In the future, we hope to use the Quasi-geostrophic model in the context of satellite data assimilation.

Cette thèse présente des travaux en lien avec l’utilisation de données cliniques dans la construction de modèles appliqués à l’oncologie. Les modèles actuels visant à intégrer plusieurs mécanismes biologiques liés à la croissance tumorale comportent trop de paramètres et ne sont pas calibrables sur des cas cliniques. A l’inverse, les modèles plus simples ne parviennent pas à prédire précisément l’évolution tumorale pour chaque patient. La multitude et la variété des données acquises par les médecins sont de nouvelles sources d’information qui peuvent permettre de rendre les estimations des modèles plus précises. A travers deux projets différents, nous avons intégré des données dans le processus de modélisation afin d’en tirer le maximum d’information. Dans la première partie, des données d’imagerie et de génétique de patients atteints de gliomes sont combinées à l’aide de méthodes d’apprentissage automatique. L’objectif est de différencier les patients qui rechutent rapidement au traitement de ceux qui ont une rechute plus lente. Les résultats montrent que la stratification obtenue est plus efficace que celles utilisées actuellement par les cliniciens. Cela permettrait donc d’adapter le traitement de manière plus spécifique pour chaque patient. Dans la seconde partie, l’utilisation des données est cette fois destinée à corriger un modèle simple de croissance tumorale. Même si ce modèle est efficace pour prédire le volume d’une tumeur, sa simplicité ne permet pas de rendre compte de l’évolution de forme. Or pouvoir anticiper la future forme d’une tumeur peut permettre au clinicien de mieux planifier une éventuelle chirurgie. Les techniques d’assimilation de données permettent d’adapter le modèle et de reconstruire l’environnement de la tumeur qui engendre ces changements de forme. La prédiction sur des cas de métastases cérébrales est alors plus précise. / This thesis deals with the use of clinical data in the construction of models applied to oncology. Existing models which take into account many biological mechanisms of tumor growth have too many parameters and cannot be calibrated on clinical cases. On the contrary, too simple models are not able to precisely predict tumor evolution for each patient. The diversity of data acquired by clinicians is a source of information that can make model estimations more precise. Through two different projets, we integrated data in the modeling process in order to extract more information from it. In the first part, clinical imaging and biopsy data are combined with machine learning methods. Our aim is to distinguish fast recurrent patients from slow ones. Results show that the obtained stratification is more efficient than the stratification used by cliniciens. It could help physicians to adapt treatment in a patient-specific way. In the second part, data is used to correct a simple tumor growth model. Even though this model is efficient to predict the volume of a tumor, its simplicity prevents it from accounting for shape evolution. Yet, an estimation of the tumor shape enables clinician to better plan surgery. Data assimilation methods aim at adapting the model and rebuilding the tumor environment which is responsible for these shape changes. The prediction of the growth of brain metastases is then more accurate.

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.

La prévision des crues et des inondations reste aujourd’hui un défi pour anticiper et assurer la sécurité des biens et des personnes. En France, le SCHAPI, qui dépend du MEDDE, assure ce rôle. Les niveaux et les débits d’un cours d’eau dépendent étroitement des interactions à différentes échelles entre les précipitations, les caractéristiques géométriques du cours d’eau et les propriétés topographiques, géologiques et pédologiques du bassin versant. Les modèles hydrauliques, utilisés dans le cadre de la prévision des crues, sont entachés d’incertitudes qu’il est nécessaire de quantifier et de corriger afin de mieux anticiper l’évolution hydrodynamique du cours d’eau en temps réel. L’objectif de ces travaux de thèse est d’améliorer les prévisions de hauteurs d’eau et de débits, sur le bassin de la Marne, issues des modèles hydrauliques utilisés dans le cadre opérationnel de la prévision des crues à partir de méthodes d’assimilation de données. Ces prévisions reposent sur une modélisation mono-dimensionnelle (1D) de l’hydrodynamique du cours d’eau à partir du code hydraulique 1D Mascaret basé sur la résolution des équations de Saint-Venant, enrichie par une méthode d’assimilation de données in situ utilisant un Filtre de Kalman Étendu (EKF). Ce mémoire de thèse s’articule en cinq chapitres, trois dédiés à la recherche et les deux derniers à l’application opérationnelle. Le chapitre 1 présente les données et les outils utilisés pour caractériser le risque inondation dans le cadre de la prévision des crues, ainsi que les modèles hydrauliques Marne Amont Global (MAG) et Marne Moyenne (MM), sujets d’application des méthodes d’assimilation de données développées dans cette étude. Le chapitre 2 est dédié à la méthodologie : il traite des différentes sources d’incertitudes liées à la modélisation hydraulique et présente les approches d’assimilation de données de type EKF appliquées dans cette étude à travers la maquette DAMP pour les réduire. Dans le chapitre 3, cette approche est appliquée aux modèles MAG et MM en mode réanalyse pour un ensemble de crues ayant touché le bassin de la Marne par le passé. Deux publications ont été insérées dans ce chapitre "étude". Dans le chapitre 4, les corrections appliquées dans le chapitre 3, sont validées à partir du rejeu de la crue de 1983 en condition opérationnelle avec le modèle MM. La quantification des incertitudes de prévision et la réalisation de cartes de zones inondées potentielles y sont aussi abordées. L’application de ces méthodes d’assimilation de données pour les modèles MAG et MM en opérationnel au SCHAPI au niveau national et au SPC SAMA au niveau local est présentée dans le chapitre 5. Cette thèse s’inscrit dans un contexte collaboratif où chacun apporte son expertise : la modélisation hydraulique pour le LNHE, les méthodes numériques pour le CERFACS et la prévision opérationnelle pour le SCHAPI. L’ensemble de ces travaux de thèse a permis de démontrer les bénéfices et la complémentarité de l’estimation des paramètres et de l’état hydraulique par assimilation de données sur les hauteurs d’eau et les débits prévus par un modèle hydraulique 1D, ce qui constitue un enjeu d’importance pour l’anticipation du risque hydrologique. Ces méthodes ont été intégrées dans la chaîne opérationnelle de prévision du SCHAPI et du SPC SAMA. / Flood forecasting remains a challenge to anticipate and insure security of people. In France, the SCHAPI, wich depends on the MEDDE, takes this function. Water levels and discharges are highly dependent on interactions at different scales between rainfall, geometric characteristics of rivers and topographic, geological and soil properties of the watershed. Hydraulic models, used in the context of flood forecasting, are tainted by uncertainties which necessist to be quantified and corrected in order to better anticipate flow evolution in real time. The work carried out for this PhD thesis aims to improve water level and discharge forecasts on the Marne watershed, from hydraulic models used in the operational framework of flood forecasting using data assimilation methods. These forecasts come from a mono-dimensional (1D) hydraulic model Mascaret based on the resolution of Saint-Venant equations, improved by data assimilation methods using an Extended Kalman Filter (EKF). This thesis consists of five chapters, three dedicated to research and the two last to the operational application. The first presents data, tools and methods used to characterize the flood risk in the context of flood forecasting, as well as the Marne Amont Global (MAG) and Marne Moyenne (MM) models, subjects of application of data assimilation methods developed in this study. The second chapter covers hydraulic model uncertainties and data assimilation methodology (Kalman filter) applied in this thesis through DAMP in order to reduce them. In the third chapter, this approach is applied to the MAG and MM models for different flood events. In the fourth chapter, the April 1983 flood event allows to validate the corrections applied in the previous chapter for the MM model in an operational context. The uncertainties evaluations and the mapping of potential flooded zones are also reported. The real-time application of these data assimilation methods for MAG and MM models by SCHAPI and SPC SAMA is presented in the fifth chapter. This thesis takes place in a collaborative work where each member brings his own expertise : the hydraulic modeling for LNHE, the numeric methods for the CERFACS and operational forecasting for the SCHAPI. This thesis shows the benefits and complementarity of the evaluation of parameters and hydraulic state using data assimilation on water levels and discharges forcasted by a 1D hydraulic model, which is an important issue for the anticipation of hydrologic risk. These methods have already been integrated to the operational chain of flood forecasting of the SCHAPI and the SPC SAMA.