Ce travail porte sur les processus locaux de déstabilisation, d'érosion et de transport des sédiments sous l'action des vagues en zone de déferlement. L'étude s'appuie sur une modélisation physique menée dans le canal à houle du LEGI avec un sédiment léger pour respecter les similitudes de Rouse et de Shields. Dans ces expériences, nous développons des techniques de mesure optiques, acoustiques et de pression. Ces capteurs nous permettent de caractériser la couche limite en vitesses et en concentration mais aussi d'étudier la réponse du lit aux sollicitations des vagues via la quantification de profondeurs d'érosion, d'épaisseurs de la couche de sédiments en mouvement, fortement concentrée et de la transmission de la pression interstitielle. L'influence des non-linéarités de la houle sur le transport sédimentaire est étudiée, en particulier la dissymétrie de l'accélération (ou asymétrie). Elle est constatée sur la mesure de flux sédimentaire. Deux mécanismes sont identifiés. i) Une asymétrie hors de la couche limite conduit à une dissymétrie de vitesse dans la couche limite qui produit un transport net. ii) L'accélération hors de la couche limite est proportionnelle au gradient horizontal de pression et l'effort de pression qu'il suscite peut déstabiliser le lit (plug-flow). Nous vérifions dans nos expériences que la contrainte de cisaillement (caractérisée par le nombre de Shields) et le gradient de pression (caractérisé par le nombre de Sleath) peuvent alternativement déstabiliser le lit.

Les formulations et modèles de vagues stochastiques sont les outils les plus traditionnels pour l’évaluation et la prévision des états de mer. Cependant, la prise en compte de nombreux processus physiques essentiels à l’évolution des vagues reste souvent lacunaire dans ces types d’approches. Une des raisons possible est notamment que peu d’observations viennent documenter ces processus. La dissipation des ondes est ainsi mal quantifiée par les méthodes d'observation traditionnelles dans tout l’éventail des conditions océaniques. Dans ce contexte, le travail présenté dans cette thèse explore plus avant les conditions menant au déferlement à travers la modulation de l'énergie des ondes courtes par de fort courants de marée et par des ondes plus longues.Dans cette étude, nous avons profité des campagnes de mesure BBWAVES, spécialement conçues pour acquérir de la donnée dans des zones d’interactions vagues courants.Ces campagnes ont notamment permis de tester une nouvelle bouée dérivante conçue pour la mesure des vagues dans des zones à forts courants de marées. Grâce à des mesures simultanées en zones de forts courants, il a été possible de mettre en évidence des lacunes dans la modélisation des états de mer, et l’influence vraisemblable des erreurs dans la modélisation atmosphérique pour ces conditions. Cette thèse a également tiré parti d’une campagne de mesure stéréo-vidéo d’états de mer en Mer Noire afin d’étudier différents aspects du déferlement des vagues dans une grande variété de conditions d'état de mer bimodales. Ces mesures ont permis de mettre en évidence une modulation des ondes courtes par des longues et une incidence sur les propriétés de déferlement. / Stochastic wave formulations and models are the most common tools for the assessment and forecast of sea surface conditions. Their ability to account for some of the processes encountered by waves during their evolution remains however a central question. Among other processes, the wave dissipation is for instance still poorly quantified and traditional methods for wave measurements fail to proper insight into its physics in a wide range of conditions. In this context, the work presented in this PhD aims to explore available observation techniques for their application to several quantitative aspects of the dissipation of wave energy, and particularly for short wave modulated by strong tidal currents, for short wave modulated by longer waves. This work takes advantage of the BBWAVES oceanic campaigns, especially planned to explore questions related to wave and current interactions. Data from a large variety of sensors are analyzed. The campaign provides the ground for the test of a new design of drifting buoy aimed at measuring waves in areas of strong tidal current. Its performances are verified and the description it provides of the area is explored. From simultaneous measurements, it was possible to highlight the actual inaccuracies in wave model capabilities as well as the contribution of the error contained in the atmospheric modeling over strong tidal currents to the misevaluation of sea states. This work also used an extensive dataset from a stereo video experiment in the Black Sea to investigate wave breaking in bimodal sea state conditions. These measurements have revealed the influence of long wave modulation over short wave breaking.

Les écoulements atmosphériques et océaniques sont habituellement séparés en une partie lente, proche de l'équilibre géostrophique, et une partie rapide qui interagissent faiblement. Les instabilités agéostrophiques procurent néanmoins un mécanisme capable de coupler les mouvements équilibrés et non-équilibrés. L'étude de tels mécanismes dans cette thèse est d'abord effectuée par des études systématiques de stabilité linéaire dans le modèle de l'eau peu profonde. L'instabilité de Rossby-Kelvin (RK), issue du couplage barocline d'une onde de Rossby (équilibrée) et d'une onde de Kelvin ou de Poincaré (non-équilibrées), est mise en évidence dans un canal. Ces résultats sont étendus à un anneau en géométrie cylindrique et montrent que dans les configurations proches des dispositifs expérimentaux il peut y avoir une compétition entre l'instabilité RK et l'instabilité barocline classique. Les instabilités des courants côtiers, caractérisés par la présence d'un bord vertical et d'un "outcropping", sont ensuite étudiées de manière exhaustive. Les instabilités dues à l'interaction d'un mode frontal et d'une onde de Kelvin (KF) ou d'une onde de Rossby (RF) sont mises en évidence. Le développement non-linéaire de ces instabilités est étudié dans le modèle de l'eau peu profonde par une méthode numérique aux volumes finis et dans un fluide continument stratifié à l'aide d'un modèle méso-échelle. Ces simulations montrent que les instabilités RK et KF ont un développement non-linéaire marqué par une croissance à amplitude finie et une saturation. Le déferlement de l'onde de Kelvin conduit alors à la formation d'un front de Kelvin, zone localisée de mélange et de dissipation, à l'émission d'ondes d'inertie-gravité et à la réorganisation de l'écoulement moyen. Dans le cas des courants côtiers cette réorganisation est suivie du développement d'une instabilité secondaire qui conduit à la formation et au détachement de vortex.

Une étude tridimensionnelle du déferlement plongeant des vagues est proposée sur la base de résultats obtenus par Simulation des Grandes Echelles des équations de Navier-Stokes en formulation diphasique. Après une étude bibliographique situant le problème, la première partie du travail est consacrée au développement et à la validation des méthodes numériques employées pour la résolution des équations. Dans une seconde partie de travail, l'outil numérique est exploité afin d'étudier différents problèmes bidimensionnels de propagation d'ondes solitaires. La dernière partie du travail consiste à appliquer les méthodes numériques au déferlement tridimensionnel d'ondes sinusoïdales périodiques de larges amplitudes. Une description complète du phénomène est proposée, incluant la génération du splash-up ainsi que la dissipation de l'énergie par les différentes structures turbulentes présentes dans l'écoulement.

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.

\noindent(\large\bf Mots clés spécifiques)~: (\em objet actif, phénomène, milieu-prévision, milieu-expérimentation, aisthesis, praxis, poiesis, prédiction, action, adaptation, entité énactive, modélisation énactive, hypothèse énactive.)<br />\vspace(5mm)<br /><br />\centerline(\LARGE\bf Résumé)<br />\vspace(5mm)<br /><br />Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la modélisation des phénomènes naturels<br />pour une instrumentation en un système de réalité virtuelle. Elle fournit les<br />prémices d'une méthodologie de modélisation des systèmes complexes en vue de leur simulation, dite modélisation énactive.<br />La thèse que nous défendons porte sur trois idées principales :<br />\begin(enumerate)<br />\item la modélisation traduit une praxis humaine.<br />\item les phénomènes sont modélisés en tant qu'entités autonomes.<br />\item les interactions entre les entités passent par un milieu qui est créé et fa\c conné par les entités elles-mêmes.<br />\end(enumerate)<br /><br />Premièrement, la modélisation est une activité humaine qui traduit implicitement et doit traduire explicitement une cause finale à la modélisation. Les phénomènes modélisés sont les affordances d'un utilisateur du modèle.<br /><br />Deuxièmement, l'autonomisation des modèles, consistant à donner au modèle du phénomène naturel<br />des capacités de perception, d'action et d'adaptation, est une solution pragmatique efficace<br />pour la modélisation d'un système complexe où de nombreux modèles doivent interagir de multiples fa\c cons.<br /><br />Troisièmement, en déléguant aux modèles la fabrication du milieu dont ils ont besoin pour déterminer leurs interactions,<br />nous pouvons simuler dans un même environnement virtuel des modèles liés à des échelles phénoménologiques<br />très différentes les unes des autres, sans passer par un maillage apriori de l'espace-temps,<br />tout en respectant, par exemple, les lois de conservations en physique.<br /><br />Ces hypothèses conceptuelles sont traduites en un modèle formel pragmatique, dans lequel nous formalisons<br />des notions d'objet actifs, d'entité autonome et d'organisation énactive. La formalisation fournit une méthode de modélisation<br />des phénomènes naturels et d'instrumentation de ces modèles permettant au concepteur de simuler en réalité virtuelle<br />le système multi-modèles à tout moment de la création.<br /><br />Nous appliquons ces idées pour réaliser une animation interactive de la surface de la mer.<br />Le système de réalité virtuelle générant les états de mer doit pouvoir<br />être utilisable par des marins et être crédible aux yeux des océanographes.<br />Le modèle obtenu se nomme IPAS (Interactive Phenomenological Animation of the Sea)<br />et permet l'animation d'un plan d'eau de plusieurs kilomètres carrés.<br />IPAS intègre, d'une part les notions marines<br />de groupe de vagues, de déferlement, de vent synoptique de vent local, de courant et de bathymétrie,<br />d'autre part les notions physiques de conservation de l'action, de stress du vent, de réfraction des vagues de gravités<br />lors des interactions vagues/déferlements/vents/courants/bathymétrie.<br />Les simulations ont lieu en temps réel et ne néces\-sitent aucun pré-calcul.<br /><br />Cette thèse sur la manière de simuler des phénomènes naturels, ouvre de nombreuses perspectives à venir.<br />On pourra, par exemple,<br />\begin(enumerate)<br />\item utiliser le modèle de mer IPAS pour la réalisation d'un environnement virtuel dédié à la sécurité civile (maritime) ou à la pratique de la compétition en voile,<br />\item consolider la validité océanographique d'IPAS et enrichir le modèle en réalisant des expériences virtuelles d'évolution d'états de mer et les comparer avec des résultats théoriques ou expérimentaux,<br />\item prouver son équivalence formelle avec les méthodes numériques classiques de résolution des systèmes d'équations différentielles,<br /> lorsque les entités sont des interactions entre des volumes élémentaires<br /> devant respecter les mêmes lois physiques que celles ayant permis d'établir les équations.<br />\item utiliser la méthode de modélisation pour d'autres phénomènes que la surface de la mer (hydrologie, météorologie, sismologie, biochimie, biologie, pédagogie, sociologie, économie)<br />\end(enumerate)

Over the last decades, there has been considerable attention in the accurate mathematical modeling and numerical simulations of free surface wave propagation in near-shore environments. A physical correct description of the large scale phenomena, which take place in the shallow water region, must account for strong nonlinear and dispersive effects, along with the interaction with complex topographies. First, a study on the behavior in nonlinear regime of different Boussinesq-type models is proposed, showing the advantage of using fully-nonlinear models with respect to weakly-nonlinear and weakly dispersive models (commonly employed). Secondly, a new flexible strategy for solving the fully-nonlinear and weakly-dispersive Green-Naghdi equations is presented, which allows to enhance an existing shallow water code by simply adding an algebraic term to the momentum balance and is particularly adapted for the use of hybrid techniques for wave breaking. Moreover, the first discretization of the Green-Naghdi equations on unstructured meshes is proposed via hybrid finite volume/ finite element schemes. Finally, the models and the methods developed in the thesis are deployed to study the physical problem of bore formation in convergent alluvial estuary, providing the first characterization of natural estuaries in terms of bore inception. / Ces dernières décennies, une attention particulière a été portée sur la modélisation mathématique et la simulation numérique de la propagation de vagues en environnements côtiers. Une description physiquement correcte des phénomènes à grande échelle, qui apparaissent dans les régions d'eau peu profonde, doit prendre en compte de forts effets non-linéaires et dispersifs, ainsi que l'interaction avec des bathymétries complexes. Dans un premier temps, une étude du comportement en régime non linéaire de différents modèles de type Boussinesq est proposée, démontrant l'avantage d'utiliser des modèles fortement non-linéaires par rapport à des modèles faiblement non-linéaires et faiblement dispersifs (couramment utilisés). Ensuite, une nouvelle approche flexible pour résoudre les équations fortement non-linéaires et faiblement dispersives de Green-Naghdi est présentée. Cette stratégie permet d'améliorer un code "shallow water" existant par le simple ajout d'un terme algébrique dans l'équation du moment et est particulièrement adapté à l'utilisation de techniques hybrides pour le déferlement des vagues. De plus, la première discrétisation des équations de Green-Naghdi sur maillage non structuré est proposée via des schémas hybrides Volume Fini/Élément Fini. Finalement, les modèles et méthodes développés dans la thèse sont appliqués à l'étude du problème physique de la formation du mascaret dans des estuaires convergents et alluviaux. Cela a amené à la première caractérisation d'estuaire naturel en terme d'apparition de mascaret.