La couche-limite atmosphérique turbulente stable, particulièrement en zone de relief, n'est pas totalement comprise. Elle est, donc, mal représentée par les modèles atmosphériques. En présence de pente et d'un refroidissement du sol, l'augmentation locale de masse volumique génère un écoulement catabatique. En région de montagne, le maximum de vent est généralement enregistré à une hauteur (z_j) de 1-10 m. Le jet de paroi engendre un changement de signe du flux de qdm ainsi qu'une variabilité du flux de chaleur sensible proche du sol. Ces variabilités de flux turbulents contredisent l'applicabilité de la théorie des similitudes de Monin-Obukhov (TSMO), pourtant utilisée de manière universelle dans les modèles atmosphériques. Si la TSMO est discutable pour les cas très stables, c'est en présence de pente qu'elle n'est naturellement plus valide puisqu'elle néglige le couplage entre les équations de vitesse et de température. Il est donc impossible de représenter correctement un écoulement catabatique (z_j O(1m)) par un modèle utilisant la TSMO et avec une résolution verticale de l'ordre de la hauteur du maximum de vent. L'objectif du travail de thèse est d'apporter une contribution dans la compréhension et la modélisation de ces écoulements.Afin de compléter les observations peu nombreuses, une campagne de mesure a été réalisée sur une pente raide (20-40 deg) : la pente ouest du Grand Colon (chaîne de Belledonne, Alpes). Les analyses spectrales témoignent de la sensibilité de l'écoulement local aux perturbations externes, même faibles. Les caractéristiques turbulentes classiques sont observées à haute-fréquence alors que des comportements moins standards sont observés aux fréquences intermédiaires ou basses et expliqués par la présence de perturbations turbulentes d'énergie du même ordre de grandeur que l'injection locale. Les cospectres montrent un comportement propre aux écoulements catabatiques: recouvrement progressif selon z des corrélations croisées <0 et >0. La TSMO est mise en défaut pour l'écoulement observé et une solution alternative est utilisée pour estimer les flux en surface, permettant une bonne description de la vitesse de frottement.Le modèle 1D de surface de ISBA (Météo-France) est modifié pour répondre à la modélisation des écoulements catabatiques. Dans un premier temps, le modèle est validé sur un cas standard: en comparaison avec un modèle de Prandtl adapté. Dans un second temps, les données in-situ sont modélisées, d'abord en fournissant des profils de diffusivités effectives puis en utilisant un modèle modifié de turbulence d'ordre 1.5. Les modélisations 1D représentent correctement les champs moyens de vitesse et température mais montrent cependant des comportements trop diffusifs. Le modèle de longueur de mélange est principalement remis en cause, y compris en utilisant des paramétrisations adaptées.Des simulations LES 3D réalistes (Meso-NH, Météo-France) sont effectuées à haute résolution pour représenter le cas d'étude. Ces modélisations représentent finement les variabilités spatiales de l'écoulement catabatique. Cependant, des biais sont engendrés principalement par l'utilisation de la TSMO en condition aux limites de surface. Malgré la forte résolution spatiale, l'utilisation de la TSMO repousse à seulement z=2 m la perception des termes sources de l'écoulement catabatique par le modèle, alors que la source de l'écoulement atteint son maximum précisément en surface. Les modèles analytiques d'écoulement catabatique (de type Prandtl, qui pourraient aisément être intégrés en conditions aux limites) nécessitent de connaître "a priori" les profils de diffusivité. Ceci implique l'utilisation d'un modèle de turbulence. Le couplage du modèle 1D de surface (précédemment modifié et validé "off-line") est donc proposé pour répondre au manque de description de la physique par les CaL classiques de surface. Le travail préliminaire du couplage est présenté et des solutions sont proposées en perspective. / The stable atmospheric boundary layer, particularly in complex terrain, is not yet fully understood and it is thus still inadequately modelled. A surface cooling of a sloping terrain generates katabatic wind due to local density increase. This flow behaves as a wall-bounded turbulent jet, often simply modelled by a local balance between the buoyancy force and the turbulent friction. In mountainous regions, the wind maximum is typically observed at a height (z_j) of 1-10 m above the ground. The wall-bounded jet is responsible for a momentum-flux sign change and a heat-flux variability close to the ground. Those turbulent-flux variabilities are fully conflicting with the aplicability of the Monin-Obukhov similarity theory (MOST), which is nevertheless universally used in the atmospheric models to provide the surface boundary condition. If the MOST is already questionable for the very stable cases, it is obviously not valide over sloping surfaces because it neglectes the coupling of the wind and temperature equations, which constitutes the katabatic source. Hence, it is not possible to adequatly model a katabatic flow (z_j O(1m)) using the MOST, especially with a vertical resolution of the order of magnitude of z_j. The aim of the this PhD work is thus to improve the current understanding and modelling capacity of the katabatic winds.Since data sets of turbulent-katabatic-flow measurements are still scarce, a new field campain was carried out on a steep slope (20-40 deg): the west face of the Grand-Colon mountain (Belledonne ridge, French Alps). The experimental setup was mainly composed of a 6m mast with four sonic-anemometer levels (1, 2, 4 and 6m) to measure the turbulence on both sides of the katabatic jet. The spectral analysis shows the hight sensitivity of the local flow to external perturbations, even when these are weak. The hight-frequency subrange shows a classical behaviour (energy-injection frequency, inertial subrange), but the spectra of the intermediate and low-frequency subranges are less typical: turbulent perturbations with an energy of the order of magnitude of the local injection are present. A specific cospectra behaviour of the katabatic flows is shown: negative and positive cross-correlations overlap gradually, increasing z. The MOST fails in representing the observed flow and a surface-flux alternative estimation is succesfully used to describe the friction vellocity.The 1D surface model of ISBA (Météo-France) is modified to model katabatic flows. The model is firstly validated with a standard calibrated Prandtl model (with variable eddy difusivity). Secondly, the field data are modelled both with a prescribed effective diffusivity (from data) and using the 1.5-order turbulence scheme. The mean velocity and temperature fields are well reproduced, but it appears that the model is over-diffusive (which generates excessive fluxes), even when an adapted mixing-length is used.Realistic 3D LES simulations (Meso-NH, Météo-France) are computed with high resolution to model the field data. Spatial flow variabilities over sloping terrain are finely represented, but are biased, mainly due to the using of MOST for the surface boundary counditions. The using of MOST shifts the start of the katabatic source detection by the atmospheric model to a height of 2 m, while the katabatic source reaches its maximum at the surface. Analytical katabatic models (of the Prandtl type, which could be easily used to feed surface boundary counditions) need an "apriori" definition of the eddy and heat diffusivities. Currently, the general definition of these diffusivities is only possible by the use of turbulent models that include closures. The coupling of the previously-presented 1D surface model (validated off-line) is suggested to overcome the lack of physics description in the classic surface boundary counditions. Preliminary work on this coupling is developed and perspective solutions are proposed.

Dans le cadre du réchauffement climatique, la prédiction de la hausse du niveau des mers est un défit majeur. La contribution du bilan de masse de surface de l'Antarctique constituerait la seule contribution négative à la hausse du niveau des mers. D'un autre côté, la dynamique de la calotte pourrait réagir de façon non linéaire au changement climatique, et entrainer une accélération et un amincissement de certains glaciers (Meehl et al. 2007). Pour ces deux raisons, il convient de connaître précisément le climat de l'Antarctique. Les Modèles de climat globaux reproduisent mal certain aspects du climat Antarctique : les précipitations sont surestimées à cause de la topographie côtière trop lisse ; le bilan d'énergie en surface est mal représenté car les processus physiques impliquant la neige sont représentés de façon trop grossière. C'est pourquoi nous nous intéressons à la modélisation régionale, qui offre une meilleure résolution et une meilleure représentation des processus physiques.<br /><br />Le climat de l'Antarctique implique la glace de mer, dont l'extension modifie par exemple l'humidité diponible pour l'atmosphère. Mais l'ensemble de l'océan joue également un rôle, car la formation d'eau dense près des côtes engendre des échanges relativement rapides entre la surface et l'océan profond. C'est pourquoi nous avons choisi de créer un modèle régional couplé atmosphère - glace de mer - océan. Le but de cette thèse est uniquement de développer et d'évaluer un tel modèle.<br /><br />Pour l'atmosphère, nous utilisons le Modèle Atmosphérique Régional (MAR, Gallee et al. 2005). Ce modèle a été spécialement développé pour les régions polaires. Il se distingue des autres modèles climatiques régionaux par sa représentation élaborée de la neige, et par une représentation interactive de la neige soufflée par le vent. Pour l'océan et la glace de mer, nous utilisons NEMO (Nucleus for European Modeling of the Ocean), constitué de OPA-9 (Océan PArallélisé, Madec 2007) et de LIM-2 (Louvain Ice Model, Fichefet 1997). Le modèle d'océan utilise une paramétrisation élaborée de la diffusion turbulente le long des isopycnes et de la diffusion verticale. Le modèle de glace de mer utilise un modèle thermodynamique à trois couches, des équations dynamiques basées sur la rhéologie visco-plastique. Enfin, MAR et NEMO sont couplés grâce au logiciel OASIS-3 (Valcke et al. 2003). Le modèle résultant est appelé TANGO, pour Triade Atmosphère-Neige, Glace de mer, Océan.<br /><br />Avant d'analyser des simulations de TANGO, il convient de connaître précisément le comportement de chacun des modèles lorsqu'ils sont forcés par des données. Dans un premier temps, nous testons la sensibilité de MAR à la représentation de la rugosité orographique. En simulant un cas de la littérature, nous montrons que MAR est capable de simuler des cyclones de méso-échelle ; nous montrons ensuite que le rôle des vents catabatiques côtiers dans la cyclogenèse est faible devant le rôle de l'écoulement synoptique, contrairement à ce que conjecturaient les travaux précédents. Comme les vents catabatiques côtiers dépendent fortement de la rugosité orographique des Montagnes Transantarctiques, les polynies de TANGO pourraient en dépendre ; c'est pourquoi nous avons réglé ce paramètre de façon à avoir des vents côtiers en accord avec les relevés des stations météorologiques. Enfin, nous montrons que la fraction de glace de mer a peu d'influence sur la circulation atmosphérique, probablement parce que notre méthode ne modifie pas la position des fronts de glace.<br /><br />Estimer l'apport du couplage s'avère compliqué, car une partie du comportement de TANGO vient effectivement des rétroactions physiques permises par le couplage, mais une autre partie vient du changement de "forçages". En effet, MAR voit habituellement la glace de mer se SSM/I, et NEMO voit habituellement des champs atmosphériques issus des réanalyses ERA-40 ; dans TANGO, MAR voit donc les défauts de NEMO, et inversement. Pour évaluer la capacité de TANGO à représenter des rétroactions physiques, nous avons donc réalisé un jeu de simulations dans lequel MAR est forcé par les champs de surface de NEMO, et NEMO est forcé par les champs de surface de MAR. Les comparaisons entre ces simulations et les simulations couplées montrent que la couverture de glace de mer de TANGO diffère de celle de NEMO forcé par MAR, ce qui prouve que des rétroactions sont représentées. Dans le détail, nous identifions également une rétroaction impliquant la glace produite dans une polynie à l'automne, et une rétroaction impliquant les précipitations et la température de surface de l'océan.<br /><br />Finalement, l'ensemble des évaluations de MAR sur l'océan ont permis des améliorations très récentes de MAR : H. Gallée a ainsi amélioré la prise en compte des nuages aux frontières, et les flocons de neige ont été introduits dans le schéma radiatif de façon à mieux simuler les températures de la couche limite sur la calotte. Ceci améliore également le comportement de TANGO. Cette étude souligne également l'importance du couplage, puisque la solution couplée diffère de la solution forcée, toutes paramétrisations étant égales. Nous concluons donc qu'il est nécessaire de poursuivre l'utilisation de TANGO.<br /><br />Ces travaux ouvrent d'abord des perspectives à court terme, puisqu'il faudra analyser le détail des rétroactions mises en \oe uvre de façon à tenter de mieux comprendre le climat de l'Antarctique. Ensuite, TANGO pourra être utilisé à petite échelle et haute résolution pour l'analyse des polynies et des formations des masses d'eau dense impliquées dans les circulations océaniques profondes. Une autre possibilité sera d'utiliser TANGO à l'échelle de la calotte, de façon à travailler sur la régionalisation du changement climatique en Antarctique. Enfin, à plus long terme, il sera nécessaire de travailler sur le représentation des cavités sous les plate-formes glaciaires dans TANGO.

La surface enneigée du continent Antarctique, sauf pour quelques heures les après-midi d'été, se refroidit constamment radiativement. Il en résulte une stratification stable persistante de la couche limite atmosphérique qui alimente un écoulement catabatique le long des pentes qui descendent du plateau vers l'océan. Les inversions de températures et les vitesses de vents associées sont extrêmes l'hiver où une inversion moyenne de 25°C sur le plateau et des vitesses dépassant les 200 km/h sur la côte sont régulièrement observées. L'été, les inversions restent très marquées la nuit, mais le réchauffement de la surface par le soleil conduit au développement de couches convectives l'après midi. Des replats et des pentes immenses et vides, inlassablement recouverts de neige : l'Antarctique est un laboratoire unique pour étudier les transitions entre les régimes turbulents, et surtout la turbulence dans les couches limites stables et catabatiques. Des processus délicats à étudier, puisque très sensibles aux hétérogénéités de la surface. Ce travail de thèse documente trois cas d'école estivaux typiques : le cycle diurne sur le plateau Antarctique, la génération d'un écoulement catabatique local, et la couche limite soumise à un forçage catabatique. Ces trois situations ont été explorées avec des observations in-situ. Pour deux d'entre elles, les observations ont nourri et ont été complétées par des simulations avec le modèle atmosphérique Méso-NH. Le premier cas s'intéresse au cycle diurne au Dôme~C. Le Dôme~C, sur le plateau Antarctique est une zone plate et homogène éloignée des perturbations océaniques. Depuis quelques années, une tour de 45 m échantillonne la couche limite. L'été, un cycle diurne marqué est observé en température et en vent avec un jet de basse couche surgéostrophique la nuit. Une période de deux jours, représentative du reste de l'été, a été sélectionnée, pour la construction du cas d'intercomparaison GABLS4, préparé en collaboration avec Météo-France. Les simulations uni-colonnes menées avec le modèle Méso-NH ont montré la nécessité d'adapter le schéma de turbulence afin qu'il puisse reproduire à la fois les inversions de température et l'intensité de la turbulence mesurées. Le deuxième cas d'école examine un écoulement catabatique généré localement, au coucher du soleil, observé sur une pente de 600 par 300 m en Terre Adélie. Certaines caractéristiques de la turbulence, en particulier l'anisotropie, ont été explorées à l'aide de simulations à fine échelle (LES). Le troisième cas s'intéresse à la couche limite mélangée typique des zones côtières soumises à un vent intense. Ce vent d'origine catabatique, a dévalé les 1000 km de pente en amont. En remobilisant la neige, il interagit avec le mélange turbulent. Le travail s'est intéressé dans ce troisième cas à l'impact du transport de neige sur l'humidité de l'air et au calcul des flux turbulents à partir des profils de température, vent et humidité. / Except during a few summer afternoon hours, the snow-covered surface of Antarctica is constantly cooling because of radiative processes. This results in a stable, persisting stratification of the atmospheric boundary layer that feeds katabatic winds along the slopes descending from the Plateau to the Ocean. Temperature inversions and wind speeds both peak during the winter, with inversions regularly reaching 25 degrees (C) over the Plateau and winds exceeding 200,km/h along the coast. In the summer, significant inversions remain at night but solar heating leads to the formation of convective layers near the surface in the afternoon. With berms and large, empty slopes constantly covered with snow, Antarctica is a unique and perfect laboratory for the study of transitions between turbulent regimes and of the turbulence within stable and katabatic boundary layers. The investigation of these processes is usually made difficult by their sensitivity to heterogeneities at the surface. This thesis work documents three typical "text-book" summer cases: the diurnal cycle on the Antarctic Plateau, the generation of a local katabatic wind and the katabatic forcing of the boundary layer. The investigation of these three cases uses in-situ data. For two of these cases, the observational data has fed and been completed with some Meso-NH model simulation outputs. The first case focusses on the diurnal cycle at Dome C. On the Antarctic Plateau, Dome C is a flat, homogeneous area far from oceanic perturbations. Since a few years, a 45 meters tower samples the boundary layer there. In the summer, the diurnal cycle there is characterized by clean signals in both temperature and winds, with a nocturnal low-level jet within the boundary layer. A two-days data set representative of the rest of the summer has been selected for analysis and is used in the GABLS4 comparison study prepared in collaboration with Meteo France. Single-column simulations have been run for this comparison work launched in June. The second case examines a local katabatic flow generated at sunset over a 600 by 300 meters slope in Terre Adelie. Characteristics of the turbulence of this flow, in particular, its anisotropy, are investigated using small-scale model simulations. A measuring station has been deployed in order to prepare and evaluate these simulations. The third case is concerned with boundary layers typical of coastal areas with strong winds of katabatic origins, which have flown over 1000 km-long slopes towards the sea. By moving around the snow at the surface, these winds interact with turbulent mixing processes. For this final case, the work is interested in the impact of blowing snow on atmospheric moisture and with the calculation of turbulent fluxes based on temperature, wind and humidity profiles.