A Météo France, le modèle opérationnel AROME a une résolution horizontale de 2,5 km. L'augmentation des moyens de calcul permettra au prochain modèle opérationnel de tourner à des résolutions de l'ordre ou inférieures au kilomètre. Il entrera donc dans une gamme de résolution appelée zone grise de la turbulence. A ces échelles, les plus grandes structures turbulentes, qui étaient jusqu'alors entièrement sous-maille, devraient être en partie résolues. Cette thèse a permis de définir ce que les modèles devaient obtenir aux échelles kilométriques et sub-kilométriques, c'est-à-dire les parts sous-maille et résolue de référence de la turbulence dans la zone grise. Ces références ont été établies dans le cas de couches limites convectives en convection libre ou forcée, nuageuse ou non. Elles permettent de prouver qu'à hauteur de couche limite égale, les thermiques sont plus larges dans les couches surmontées de nuages. Elles indiquent surtout que, quelle que soit la configuration, les paramétrisations actuelles ne sont pas capables de reproduire la zone grise. Ces échelles demandent donc de développer une nouvelle paramétrisation de la turbulence. La représentation de la turbulence non locale est la part qu'il faut faire évoluer. Nous avons donc pris le parti de modifier le schéma de thermique en flux de masse. Pour étudier les structures cohérentes sous-maille de couche limite, nous avons créé une analyse conditionnelle permettant de circonscrire la part de thermique qui influence le schéma sous-maille en fonction de la résolution. Cet outil nous a permis de définir les caractéristiques des thermiques sous-maille dans la zone grise, mais également de vérifier à micro-échelle les hypothèses de méso-échelle des schémas en flux de masse. Nous avons démontré que toutes les hypothèses ne sont pas valables. Finalement nous avons établi le système d'équations d'un schéma en flux de masse qui fonctionne aux échelles kilométriques. / The turbulence is well-represented on grid coarser than 2 km. Indeed, in meso-scale models, the turbulence is entirely sub-grid. The turbulence is also well-represented at very high resolution (10 to 100 m) by LES models for which turbulence is mainly resolved. However we do not know which part of the turbulence should be resolved and which part of it should be parameterized when a model runs at kilometric scales, the so-called “Terra Incognita“ from Wyngaard (2004). Thanks to increasing computational resources, in a near future, limited area NWP models will reach grid spacings on the order of 1 km or even 500 m. The aim of this study is to develop a parameterization which will provide adequate turbulence to these new-generation, high-resolution models. At first, this study describes a new diagnostic based on LES, which clarifies which part of turbulence should be parameterized at kilometric scales. This reference called “partial similarity function“ is a precious tool to quantify the error made by atmospheric models when running at kilometric scales. These errors are quantified for a state-of-the-art meso-scale model (Méso-NH) with several turbulence mixing options : different mixing lengths, different dimensionalities, a K-gradient scheme or an EDMF approach (K-gradient with a mass-flux scheme). K-gradient turbulence schemes are unable to reproduce the counter-gradient zone. In the grey-zone, this characteristic has a disastrous effect. As the instability is too large, the boundary layer is mixed by the dynamic of the model and the resolved mixing is too strong. The counter-gradient zone can be reproduced by adding a mass-flux scheme to the K-gradient turbulence scheme (Pergaud et al. (2009)). However the mass-flux scheme in its original form only produces wholly subgrid thermals at a grid size for which boundary-layer thermals should be partly resolved. In this case, the subgrid mixing is too strong. So the question arises as what is a subgrid thermal in the “grey zone“, when the mesh contains one thermal at the most and a part of the thermal has to be resolved by the advection scheme of the model. A conditional sampling is defined in order to detect the subgrid part of the thermals. It allows to determine the characteristics of the subgrid thermals in the “grey zone“ and to find out which assumptions of the mass-flux schemes are not verified. In the light of this study, the mass-flux scheme equations are established by taking the thermal fraction and the resolved vertical velocity into account. Finally, the system of equations is closed. The new parameterization is valid in the grey zone.

Ce travail de thèse vise à améliorer la compréhension du mécanisme de transport des parcelles d'air nuageuses dans la tropopause tropicale (TTL). Les sommets des nuages convectifs profonds sont déterminés à partir des données de température de brillance CLAUS. Un bon accord statistique entre les trajectoires, intégrées en avant et en arrière dans le temps entre ces sommets et la surface 380K, a été obtenu entre 2005 et 2008. La contribution verticale des sources convectives et les temps de transit associés à chaque sous-régions tropicales ont été quantifiés. Tout au long de l'année, environ 85% des parcelles tropicales à 380K proviennent d'un sommet de nuage convectif. De novembre à avril, les sources de la warm pool prédominent et contribuent jusqu'à 70% du flux de masse ascendant. Durant l'été, la région de la mousson asiatique est le plus grand contributeur. Les régions océaniques et continentales asiatiques contribuent similairement mais les propriétés de transit diffèrent significativement. Le plateau Tibétain, faible contributeur, est la région pour laquelle l'impact de la convection à 380K est la plus importante. Les différences de taux de chauffage entre les réanalyses impacte le transport. Les propriétés de transit sont très largement expliquées par un simple modèle régional unidimensionnel soulignant l'importance de la proximité du niveau de chauffage radiatif nul. / This work aims to improve understanding of the cloudy air transport mechanism in the tropical tropopause layer (TTL). Deep convective clouds tops are determined from brightness temperature provided by CLAUS dataset. A good statistical agreement is obtained over the period 2005-2008, between forward and backward trajectories, integrated between these clouds tops and the 380K surface. This agreement allowed to quantify the vertical contribution of convective sources and their transit time for each tropical sub-regions. Throughout the year, about 85% of the tropical parcels at 380K originate from convective sources. From November to April, the warm pool sources dominate and account for up to 70% of the upward flux. During summer, Asian monsoon region is the largest contributor with similar contributions from oceanic regions and Asian mainland. However, the transit properties differ significantly. The Tibetan plateau, although a minor contributor, is the region with the highest impact of convection at 380K. The differences in heating rates between reanalysis impact the transport.Transit properties can be largely explained by a simple one-dimensional regional model emphasizing the importance of proximity of the level of zero radiative heating rate.

VOLDORAD, un radar Doppler UHF moyenne puissance, est un système portable basé au sol, développé par l'Observatoire de Physique du Globe de Clermont-Ferrand (France), spécifiquement pour l'étude de l'activité volcanique explosive. La capacité de ces méthodes de télédétection à sonder l'intérieur des jets et des panaches volcaniques dangereux constitue un vrai pas en avant concernant l'analyse des paramètres physiques qui contrôlent la dynamique des éruptions volcaniques. L'objectif principal de cette thèse est d'apporter des contraintes plus précises, notamment à partir du développement de procédures méthodologiques, sur l'interprétation des données radar Doppler, dans le but final d'améliorer notre compréhension de la dynamique explosive. Ce travail a été réalisé à partir de mesures radar Doppler acquises pendant l'éruption du cratère Sud-Est de l'Etna en Juillet 2001, et s'intéresse plus particulièrement à l'activité Strombolienne. Cependant, les méthodes de traitement, les modèles directs et les procédures d'inversion développés dans cette étude ont été réalisés dans une optique plus générale, et applicable sur différents types de dynamismes. L'étude détaillée de l'activité Strombolienne par la méthode radar Doppler a permis d'obtenir une large gamme de paramètres sources, notamment : les vitesses et masses de gaz et de particules, ainsi que les caractéristiques géométriques des jets. L'estimation quantitative précise de ces paramètres et de leur évolution au cours du temps est cruciale pour (1) la surveillance et la détection précoce de l'activité volcanique, ainsi que (2) pour l'apport de contraintes sur les hypothèses formulées dans les modèles de dynamique éruptive et dans les modèles de prédiction de dispersion des cendres, indispensables à la minimisation des risques.

Ce travail en mécanique concerne la turbulence compressible anisotrope en interaction avec une onde de choc pour les modèles aux tensions de Reynolds (ou modèles RSM). D'après la physique, la moyenne de Favre, liée à la nature compressible de l'écoulement, impose la prise en compte du flux de masse turbulent, terme souvent négligé en pratique. Nos principaux résultats établissent qu'une onde de choc peut devenir violemment instable lors d'une interaction avec la turbulence, dès que ce terme est négligé ou mal modélisé. Pour autoriser la stabilité structurelle puis multidimensionnelle du choc, nous montrons qu'il est nécessaire de définir une échelle de temps associée dont l'amplitude doit être suffisamment grande et les variations d'amplitude correctement définies. La définition du flux de masse turbulent repose sur la modélisation de Ristorcelli, actuellement la seule à être réalisable, objective et à caractérisation entropique. Ces propriétés nous permettent d'utiliser le concept récent de relations cinétiques pour la définition des solutions chocs dans le cadre non conservatif. En particulier, nous montrons comment généraliser, grâce à ce concept, les conditions de Majda et de Lopatinski pour l'étude de la stabilité monodimensionnelle et multidimensionnelle des solutions chocs dans le cadre non conservatif.