Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Cette thèse apporte une meilleure compréhension des interactions océan-atmosphère au sein d'évènements extrêmes que sont les cyclones tropicaux. L'étude de la réponse océanique aux cyclones et de sa rétroaction a permis de souligner l'importance de la dynamique océanique et atmosphérique et tend à contredire les estimations extrêmes faites précédemment à partir de modèles théoriques simplifiés. L'impact des cyclones sur le climat est probablement surestimé dans les études qui négligent les processus d'advection et la ré-émergence d'anomalies océaniques en surface durant l'hiver. La rétroaction négative du refroidissement de surface induit par les cyclones est également surestimée dans les études théoriques en raison des fortes hypothèses faites sur les échelles de temps impliquées dans le processus d'intensification des cyclones. De même, la structure océanique à grande et moyenne échelle est souvent négligée (par exemple dans les indices de cyclogenèse), alors qu'elle module fortement les mécanismes de couplage. Enfin, l'utilisation de modèles à méso-échelle et de simulations à long terme produisant un grand nombre d'événements est essentielle afin de séparer un mécanisme robuste d'effets anecdotiques.

Les processus qui se déroulent à l'interface air-mer ont une importance cruciale pour les cyclones tropicaux (TCs). Les TCs tirent leur énergie de la chaleur de l'océan superficiel mais induisent aussi un refroidissement en surface : le sillage froid (ou Cold Wake CW) qui exerce une rétroaction négative sur leur intensité. Cette thèse détaille tout d'abord les processus impliqués dans le refroidissement de surface ainsi que les caractéristiques du cyclone et de l'océan qui en contrôlent l'amplitude. Trois proces- sus principaux participent à la CW : le mélange vertical, les flux de chaleur en surface (dominés par l'évaporation) et l'advection. Le mélange vertical homogénéise les eaux chaudes de surface et les eaux froides sous-jacentes, refroidissant la surface tout en réchauffant la sub-surface. Il est responsable de la majeure partie du refroidissement sous le TC et est donc le processus clé de la rétroaction de la CW. Les flux de chaleur contribuent peu au refroidissement sous le TC, mais ils refroidissent sur de larges régions. Enfin, l'advection horizontale fait diverger les eaux chaudes en surface et participe à modifier la forme de la CW. Dans cette thèse, je définis un indice de puissance du vent intégré pendant le passage du TC (WPi pour Wind Power index) et montre que l'amplitude de la CW augmente linéairement en fonction du WPi. Cependant, pour une puissance de TC donnée, l'état de l'océan de sub-surface module l'amplitude de la CW d'un facteur 10 ! Afin de décrire le contrôle de la CW par l'océan de sub-surface, je propose un indice mesurant l'énergie potentielle associée à la stratification océanique (CI pour Cooling Inhibition index ). Ces résultats sur le contrôle de la CW ont été obtenus grâce à un dispositif expérimental simulant la réponse océanique aux TCs à un coût numérique modéré. Cette approche permet une analyse statistique des caractéristiques des CWs induites par les ∼3,000 TCs observés sur les 30 dernières années. En modélisant la réponse océanique aux TCs directement dans un modèle de circulation océanique mondiale, ce dispositif expérimental permet aussi de faire le lien entre les processus océaniques à l'échelle des TCs et leur effet sur l'océan à l'échelle climatique. Il a été suggéré que la chaleur injectée en sub-surface par le mélange vertical sous les TCs peut modifier le transport de chaleur océanique global (OHT). Cependant, les anomalies chaudes injectées en sub-surface par les TCs en été ne pénètrent guère au-delà de la thermocline saisonnière. L'approfondissement de la couche mélangée en hiver a pour effet de réinjecter ces anomalies dans l'atmosphère, ce qui limite considérablement l'influence des TCs sur l'OHT. En revanche, les flux de chaleur sous les TCs refroidissent significativement les bassins cycloniques en été. Associé au réchauffement hivernal évoqué ci-dessus, ce processus réduit d'environ 10% l'amplitude du cycle saisonnier de température dans les bassins cycloniques. Finalement, la thèse ouvre des perspectives pour comprendre comment les modifications océaniques liées à la variabilité climatique naturelle et anthropique peut moduler l'activité cyclonique.

Depuis une vingtaine d'années, la qualité de la prévision de la trajectoire des cyclones tropicaux a fortement progressé mais peu d'améliorations ont été apportées à la prévision de l'intensité. Cette thèse s'intéresse aux changements d'intensité des cyclones tropicaux du sud-ouest de l'océan Indien sous l'angle original de l'activité électrique. Une première étude climatologique s'appuyant sur les données du réseau de détection d'éclairs World Wide Lightning Location Network (WWLLN) a permis de valider la qualité de ces données et de montrer que les cyclones tropicaux pouvaient être une source importante de production d'éclairs à l'échelle du bassin. À partir de ce résultat, une étude ciblée a été menée en considérant la spécificité du bassin et trois régions ont été définies (océan ouvert, région à proximité de la côte est de Madagascar et Canal du Mozambique). L'activité électrique des cyclones tropicaux dépend de la région où ils se trouvent ainsi que de leur stade d'intensité. Les éclairs semblent être un marqueur des phases d'intensification et d'affaiblissement dans certains situations. La troisième étape de cette thèse a consisté à simuler de manière idéalisée un cyclone tropical mature et a tenté d'expliquer les processus physiques à l'origine de l'activité électrique. Le modèle reproduit bien le comportement sporadique des éclairs habituellement observé. Des bilans montrent que ce cyclone présente trois phases caractéristiques, chacune associée à un comportement dynamique, microphysique et électrique différent. Enfin, une deuxième étude purement numérique a tenté d'identifier des estimateurs de l'activité électrique. Pour celà deux approches ont été adoptées : une étude globale et une étude par cellule. Dans les deux cas, les meilleurs estimateurs sont la masse totale de graupel, le volume d'updraft et le produit des flux des masses de glace précipitante et non précipitante.

Depuis une vingtaine d'années, la qualité de la prévision de la trajectoire des cyclones tropicaux a fortement progressé mais peu d'améliorations ont été apportées à la prévision de l'intensité. Cette thèse s'intéresse aux changements d'intensité des cyclones tropicaux du sud-ouest de l'océan Indien sous l'angle original de l'activité électrique.Une première étude climatologique s'appuyant sur les données du réseau de détection d'éclairs World Wide Lightning Location Network (WWLLN) a permis de valider la qualité de ces données et de montrer que les cyclones tropicaux pouvaient être une source importante de production d'éclairs à l'échelle du bassin. À partir de ce résultat, une étude ciblée a été menée en considérant la spécificité du bassin et trois régions ont été définis (océan ouvert, région à proximité de la côte est de Madagascar et Canal du Mozambique). L'activité électrique des cyclones tropicaux dépend de la région où ils se trouvent ainsi que de leur stade d'intensité. Les éclairs semblent être un marqueur des phases d'intensification et d'affaiblissement dans certains situations. La troisième étape de cette thèse a consisté à simuler de manière idéalisée un cyclone tropical mature et a tenté d'expliquer les processus physiques à l'origine de l'activité électrique. Le modèle reproduit bien le comportement sporadique des éclairs habituellement observé. Des bilans montrent que ce cyclone présente trois phases caractéristiques, chacune associée à un comportement dynamique, microphysique et électrique différent. Enfin, une deuxième étude purement numérique a tenté d'identifier des estimateurs de l'activité électrique. Pourcelà deux approches ont été adoptées : une étude globale et une étude par cellule. Dans les deux cas, les meilleurs estimateurs sont la masse totale de graupel, le volume d'updraft et le produit des flux des masses de glace précipitante et non précipitante.

Ces travaux visent à inscrire le monitoring des plages récifales de l'île de La Réunion dans la « Stratégie Nationale de Gestion Intégrée des Zones Côtières » (2012). Elle oriente les recherches vers une démarche labellisée sur le long terme qui se concrétise par la mise en place de protocoles de mesures normalisés déployés sur des sites ateliers. Le site de l'Ermitage devient, en 2012, le premier site atelier en zone tropicale et de type bioclastique labellisé à l'échelle nationale (AllENVI, puis INSU en 2014). La dynamique des plages d'arrière-récif demeure à ce jour peu étudiée à travers le monde. Les plages bioclastiques de La Réunion sont le produit de récifs coralliens décrits comme dégradés par les biologistes depuis les années 80. Elles sont confrontées à une très forte anthropisation. Des formes marquées d'érosion se lisent dans ces paysages littoraux. La révision des protocoles de suivi de la topographie des plages tout en exploitant les suivis historiques, vise à illustrer la pluralité des dynamiques en contexte d'arrière-récif. La diversité des processus et des échelles spatio-temporelles impliqués dans le fonctionnement hydro-sédimentaire des plages récifales nécessite la mise en œuvre de méthodes d'observation in situ adaptées, comparables et reproductibles. Dans cette étude nous exploitons surtout les suivis topographiques des plages à l'échelle évènementielle, saisonnière et pluriannuelle. Par l'analyse morphologique et volumétrique des séries de profils topographiques, la variabilité morphosédimentaire en zone intertidale et supratidale est décrite. La significativité de la mesure de la mobilité du trait de côte est également questionnée. / Long-term assessment of beach morphodynamic is a great challenge to understand future trajectories of these landforms. In France, in 2012, a national strategy for an integrated management of shoreline has been adopted. This one lead to creation of research labels (SOERE and SNO) which aim to sustain scientific researches dedicated to sandy beach morphodynamic in response to various hydrodynamics forcing. Shoreline monitoring on selected pilot sites is conducted within network where normalized protocols and high quality data are guaranteed at long-term scale. The French coastline also extend in tropical zone through its ultramarine territories. Tropical shoreline are among the most sensitive environment however they remain poorly studied. Since, 2012, Reunion island, a French department in Indian Ocean, integrated the SOERE network. Coral reef and coral beaches which preferentially developed on the western coast are frequently threatened by major swell event associated with tropical cyclones or long period swell. Since now, the beach trend evolution and morphogenic processes have not been quantified. However past monitoring exists which has consisted in topographic measurement along beach profile based on empirical protocols which produced biaised data. Since its integration within SOERE network, DGPS survey are now conducted along the different coral beach compartments of Reunion Island at seasonal and post-storm scale. This study aims to capitalize historical and DGPS beach topographic data in order to quantify long term and post-storm beach response and recovery from Cap Champagne to Trou d'Eau.

L'isthme centraméricain se caractérise par un abaissement du relief qui favorise la communication aérologique entre l'Atlantique et le Pacifique. En raison de leur puissance et de la canalisation exercée par le relief, les Anticyclones Mobiles Polaires pénètrent profondément dans la zone tropicale. Le déplacement des AMP et leur ralentissement progressif en direction des Tropiques, la rencontre des continents et de leurs reliefs et les conséquences sur l'écoulement en masse forment des Agglutinations Anticycloniques. Les AMP s'agglutinent et les Lignes de Pulsation deviennent progressivement la circulation d'alizé et/ou mousson. Les flux tropicaux des deux hémisphères météorologiques se rejoignent le long de l'Equateur Météorologique. L'isthme centraméricain constitue un carrefour climatique unique au monde. L'étude des perturbations donne la clé de l'analyse de la dynamique du temps et du climat en Amérique Centrale. L'évolution climatique récente montre une modification du style de circulation générale depuis les années 70.

Depuis une vingtaine d'années, la qualité de la prévision de la trajectoire des cyclones tropicaux a fortement progressé mais peu d'améliorations ont été apportées à la prévision de l'intensité. Cette thèse s'intéresse aux changements d'intensité des cyclones tropicaux du sud-ouest de l'océan Indien sous l'angle original de l'activité électrique.Une première étude climatologique s'appuyant sur les données du réseau de détection d'éclairs World Wide Lightning Location Network (WWLLN) a permis de valider la qualité de ces données et de montrer que les cyclones tropicaux pouvaient être une source importante de production d'éclairs à l'échelle du bassin. À partir de ce résultat, une étude ciblée a été menée en considérant la spécificité du bassin et trois régions ont été définis (océan ouvert, région à proximité de la côte est de Madagascar et Canal du Mozambique). L'activité électrique des cyclones tropicaux dépend de la région où ils se trouvent ainsi que de leur stade d'intensité. Les éclairs semblent être un marqueur des phases d'intensification et d'affaiblissement dans certains situations. La troisième étape de cette thèse a consisté à simuler de manière idéalisée un cyclone tropical mature et a tenté d'expliquer les processus physiques à l'origine de l'activité électrique. Le modèle reproduit bien le comportement sporadique des éclairs habituellement observé. Des bilans montrent que ce cyclone présente trois phases caractéristiques, chacune associée à un comportement dynamique, microphysique et électrique différent. Enfin, une deuxième étude purement numérique a tenté d'identifier des estimateurs de l'activité électrique. Pourcelà deux approches ont été adoptées : une étude globale et une étude par cellule. Dans les deux cas, les meilleurs estimateurs sont la masse totale de graupel, le volume d'updraft et le produit des flux des masses de glace précipitante et non précipitante. / Tropical cyclone track forecast has improved over the past two decades but little improvement have been done in intensity changes forecast. This thesis focuses on the intensity changes of tropical cyclones in the southwest Indian ocean through the original aspect of lightning activity. A climatology of lightning activity in the southwest Indian ocean using data from the World Wide Lightning Location Network (WWLLN) is first proposed. Results showed that the WWLLN was able to locate and capture the lightning activity in the basin and that tropical cyclones can be considered as a major source of lightning flashes in some oceanic parts of this region. From this result, study of lightning activity in tropical cyclones of the southwest Indian ocean has been done considering the basin configuration. Thus, three regions were defined: open ocean, region near the eastern coast of Madagascar and the Mozambique Channel. The location and intensity of lightning activity depend on the region and the intensity stage. Lightning flashes seem to be a proxy of intensification or weakening under some conditions. The third step of this thesis was to simulate in an idealized framework a mature tropical cyclone. The model was first able to reproduce the sporadic behavior of lightning activity as observed. Budgets have shown that the presence of three distinctive phases characterized by different dynamical, microphysical and electrical behaviors. Finally, another purely numerical work tried to identify some proxies of lightning activity according two approaches : a global analysis anda per-cell analysis. In both cases, the best proxies are the total graupel mass, the updraft volume and the product of precipitating and non-precipitating ice mass fluxes.

La prévision d'intensité des cyclones tropicaux est un enjeu opérationnel majeur qui connaît encore de graves déficiences. Cette thèse vise à mieux comprendre les mécanismes d'intensification cyclonique en lien avec un thalweg d'altitude originaire des moyennes latitudes et à mettre en évidence le rôle des conditions initiales pour la prévision cyclonique. Une première étude climatologique définit un seuil objectif pour l'intensification rapide des cyclones dans le Sud-Ouest de l'océan Indien, caractérise la localisation et la fréquence des interactions cyclone-thalweg, tout en identifiant les configurations propices à l'intensification. Le cas de Dora (2007) est identifié pour simuler l'interaction grâce à un modèle numérique en assimilant les caractéristiques du cyclone dans une analyse globale. L'interaction cyclone-thalweg simulée est particulièrement complexe. Dans un premier temps, du tourbillon potentiel provenant du thalweg se superpose au coeur du cyclone en moyenne et en haute troposphère. Ensuite, un forçage dynamique induit une accélération de la circulation cyclonique tangentielle dans une région extérieure au mur de l'oeil principal, provoquant un cycle de remplacement du mur de l'oeil. Le modèle simule correctement les différentes phases d'intensification du cyclone, ce qui permet de relier l'intensification aux effets du thalweg sur le cyclone. Une deuxième étude numérique dans le Pacifique Nord-Ouest met en évidence le rôle de la structure initiale d'un cyclone sur la prévision de trajectoire et d'intensité. La prévision cyclonique future progressera en affinant la structure du coeur cyclonique spécifiée dans l'état initial de la prévision.

Dans un contexte international, la prévision d'intensité des cyclones tropicaux connaît encore de graves déficiences tandis que la prévision de trajectoire de ces phénomènes météorologiques extrêmes s'est grandement améliorée ces dernières décennies. Une source d'erreur pour la prévision d'intensité est le manque de connaissance des processus physiques qui régissent l'évolution de la structure et de l'intensité des cyclones. Cette thèse, proposée dans le cadre des responsabilités du Centre Météorologique Régional Spécialisé (CMRS) de la Réunion et des axes de recherche du LACy et du CNRM, a pour but d'améliorer la prévision numérique et la compréhension des mécanismes de changement de structure et d'intensité des cyclones dans le sud-ouest de l'océan Indien. On observe statistiquement dans le bassin de fréquents déferlements d'ondes de Rossby qui correspondent à une intrusion des talwegs d'altitude depuis les moyennes latitudes vers les régions où évoluent les cyclones. Ces déferlements advectent dans la troposphère tropicale de l'air d'origine stratosphérique à fort tourbillon potentiel (PV). Le cœur d'un cyclone tropical étant caractérisé par un vortex cyclonique de fort PV, il est donc légitime de se demander si de tels talwegs sont capables de « nourrir » un cyclone en déferlant jusqu'à lui, et l'intensifier par superposition de PV. D'un autre côté, l'approche d'un talweg est associée à d'autres facteurs pouvant jouer en défaveur d'une intensification, comme un fort cisaillement vertical de vent. L'étude de processus est réalisée sur le cyclone Dora (2007) avec le modèle opérationnel du CMRS sur le bassin, Aladin-Réunion. Ce modèle hydrostatique à aire limitée bénéficie d'une résolution horizontale de 8 km et de son propre schéma d'assimilation 3Dvar avec bogus de vent. Un tel bogus permet d'affiner la structure du cyclone à l'instant initial en ajoutant des observations de vent déduites d'un profil analytique et des paramètres de structure du cyclone estimés par les images satellites. Des diagnostiques sur les variables thermodynamiques en sortie de modèle montrent que la phase d'intensification rapide de Dora est bien associée à l'advection de tourbillon potentiel (PV) en provenance du talweg. Bien que fortement cisaillé, le système parvient à s'intensifier grâce à la forte inclinaison du talweg qui advecte du PV au cœur du cyclone en 2 temps et à 2 niveaux (haute et moyenne troposphère). Lorsque le talweg est au plus proche du cyclone, il force un processus dynamique interne appelé « cycle de remplacement du mur de l'œil ». On observe une inclinaison et un renforcement des vitesses verticales à l'extérieur du mur de l'œil principal, associé à une accélération de la circulation cyclonique tangentielle par advection de moment angulaire sur toute l'épaisseur de la troposphère dans cette zone annulaire (mis en évidence par les flux d'Eliassen-Palm). Un second maximum de vent relatif apparaît alors et une deuxième phase d'intensification rapide s'ensuit avec la contraction du mur secondaire. Le forçage de processus internes par une influence externe (un talweg) semble donc être le moteur de l'intensification rapide de Dora dans un environnement cisaillé, et potentiellement celui d'autres cyclones dans le bassin qui sont approchés par des talwegs d'altitude. Les prévisionnistes du CMRS sont invités à surveiller les champs de PV de tels systèmes, en attendant que de plus amples diagnostiques soient réalisés avec l'outil d'inversion du tourbillon potentiel développé sur le modèle global Arpège. / Despite significant improvements in Tropical Cyclone (TC) track forecasts over the past few decades, anticipating the sudden intensity changes of TCs remains a major operational issue. The main purpose of this thesis is to analyze TC rapid intensification processes in relation with external forcing induced by upper-level troughs originating from the mid-latitudes. The impact of initial storm structure on storm evolution and prediction is also documented. An objective definition for rapid intensification in the southwest Indian Ocean is first proposed. The location and frequency of TC-trough interactions are identified, as well as TC-trough arrangements conducive to TC intensification. An interesting study case, TC Dora (2007), is chosen to run numerical simulations initialized with synthetic TC observations blended in a global analysis. The simulated TC-trough interaction is intricate with potential vorticity (PV) advection from the trough into the TC core at mid and upper levels. Vortex intensification first occurs inside the eyewall and results from PV superposition. Further intensification is associated with a subsequent secondary eyewall formation triggered by external forcing from the trough. The numerical model is able to reproduce the main features associated with outer eyewall spin-up, inner eyewall spin-down, and their effects on vortex intensity changes. Another numerical study examines typhoons in the northwest Pacific and demonstrates the critical role played by initial vortex structure in TC track and intensity prediction. Upgrading the initial specification of a TC inner-core structure in numerical models is recommended for future TC prediction improvements.