Cette thèse a été développée au sein du Projet Heliosat de l'Ecole Nationale Supérieure des Mines de Paris, avec pour objectifs : (i) la réalisation d'un système d'estimation du rayonnement solaire au sol à l'aide de données en provenance des satellites géostationnaires ; (ii) la production en routine de cartes du rayonnement solaire sur une maille très fine au sol ; (iii) l'amélioration du système en fonction des résultats et des progrès scientifiques. Nous avons amélioré le modèle original de Cano (1982) et complété sur la base des études théoriques suivantes : (i) la mise au point d'un modèle de calcul du rayonnement solaire journalier en moyenne mensuelle ; (ii) l'utilisation du système pour n'importe quelle localisation géographique située dans le champ de vision du capteur du satellite considéré ; (iii) l'étude des relations existant entre l'indice d'ennuagement et le coefficient de transmission globale de l'atmosphère ; (iv) la détermination des rayonnements solaires diffus et direct basée sur la seule connaissance de données satellitaires. Cette méthode a été testée sur 30 mois de données satellitaires (12 mois de 1983, 11 mois de 1984 et les 7 premiers mois de 1985), les erreurs de reconstitution des rayonnements solaires global et diffus en horaire instantané étant respectivement de 70 Wh/m2 et de 99 Wh/m2. Le rayonnement solaire global journalier mensuel est obtenu à 10 % près de la valeur mesurée au sol. Enfin nous avons mis en place un système opérationnel à base de micro-ordinateur couplé à une station de réception satellitaire et qui utilise la méthode développée pour fournir automatiquement une cartographie du rayonnement solaire au sol, ainsi que de l'albédo planétaire et de l'indice d'ennuagement.

Une description réaliste des processus physiques du sol, de la végétation, de la couche de neige et de la couche de mélange des lacs et des océans dans les modèles de prévision du temps contribue à l'amélioration des prévisions météorologiques aux échéances allant de l'échelle journalière à l'échelle saisonnière. De plus, les méthodes d'assimilation permettant l'initialisation des variables pronostiques des schémas de surface sont essentielles pour corriger les erreurs accumulées en surface, provenant des forçages et de la modélisation. Je présente dans ce mémoire une synthèse de mes travaux de recherches qui ont porté sur le développement et la validation de schémas de surface pour la prévision numérique du temps ainsi que sur le développement de techniques d'assimilation innovantes pour les surfaces continentales. L'ensemble de ces activités se sont appuyées sur la disponibilité de données d'observations (in-situ et par télédétection) informatives sur les processus modélisés. Je termine en proposant plusieurs pistes à explorer pour la modélisation et l'assimilation des processus de surface pour diverses applications environnementales.

Les systèmes de positionnement et de navigation par satellite (GNSS) ont connu un formidable essor au cours des deux dernières décennies au point d'être aujourd'hui un élément technologique universel. Le recours au positionnement précis par satellite est intégré à notre vie quotidienne: puces GPS intégrées dans les téléphones portables, systèmes de radionavigation utilisés pour le guidage d'engins agricoles, l'approche aérienne et maritime. Les stations GNSS déployées dans les réseaux géodésiques permanents participent au maintien des références géodésiques nationales et internationales et à la prévision météorologique. Ces applications scientifiques requièrent une mise en œuvre rigoureuse des équipements et un traitement sophistiqué des mesures. Une limitation de précision commune vient la présence d'erreurs dans les mesures dues à la traversée de l'atmosphère. L'amélioration des méthodes de correction de la propagation des signaux radiofréquence dans l'atmosphère a permis au cours des dix dernières années d'atteindre une précision sub-centimétrique en positionnement vertical et de faire des GNSS une technique de référence pour le sondage de la vapeur d'eau dans la troposphère. Ce manuscrit rassemble les résultats des recherches que j'ai développées au LATMOS et à l'IGN depuis une douzaine d'années dans le domaine du positionnement précis par GPS, de la télédétection de la vapeur d'eau atmosphérique par GPS et lidar Raman, et de l'étude du cycle de l'eau atmosphérique au moyen de systèmes d'observations et de modèles de prévision météorologique.

Ce travail de thèse porte sur l'étude de l'interaction entre l'île et le cyclone DINA qui avait bénéficié pour la première fois d'une couverture radar Doppler lors de son passage en Janvier 2002. Des simulations hautes résolutions ont été menées avec le modèle Méso-NH. Il a été montré que la présence de l'île induit une tendance générale à la stabilisation de la circulation cyclonique naturelle en relation avec un affaiblissement du système. Il a aussi été montré que la circulation des vents et la localisation des précipitations sur l'île en cas cyclonique sont entièrement définies par la topographie. De plus une étude approfondie a montré que l'évolution de la structure du mur de l'oeil en interaction avec le relief découlait de perturbations de l'anneau cyclonique de PV par des bandes de PV anticyclonique générées par l'île.

Il existe aujourd'hui un enjeu sociétal majeur à s'intéresser à la propagation du son en milieu extérieur etnotamment, dans notre contexte, à diminuer l'incertitude sur l'estimation des niveaux sonores et améliorer ainsi laprécision des diverses analyses, du bureau d'étude à l'institut de recherche. Dans le cadre de l'acoustiqueenvironnementale, l'influence des conditions météorologiques sur la propagation acoustique en milieu extérieurpeut être importante. Il est donc nécessaire d'appréhender et de quantifier les phénomènes météorologiques demicro-échelles que l'on observe dans la couche limite atmosphérique.Dans ce but, le modèle météorologique de recherche de Météo-France (Meso-NH) a été utilisé. Après avoircomparé les résultats de ce modèle à très fine résolution (de l'ordre du mètre) à l'aide des bases de données de deuxcampagnes expérimentales (Lannemezan 2005 et la Station de Long Terme), il s'est avéré nécessaire de développercet outil en intégrant la prise en compte de la force de traînée des arbres. Dès lors, les résultats issus de Meso-NH surles champs de vent, de température et d'énergie cinétique turbulente aparraissent satisfaisants. Ces informationssont par la suite utilisées en données d'entrée du modèle de propagation acoustique.Le modèle acoustique temporel utilisé est basé sur la méthode Transmission Line Matrix (TLM). Sondéveloppement a été effectué dans le but d'être appliqué à la propagation acoustique en milieu extérieur : prise encompte du relief, de différents types de sol, des conditions atmosphériques, etc. La validation numérique de laméthode TLM, par comparaison avec d'autres modèles (analytique et numérique de type Equation Parabolique), apermis de montrer la pertinence de son utilisation dans le cadre de l'acoustique environnementale.Enfin, à l'aide de ces modèles, des niveaux sonores simulés sous différentes conditions de propagation(favorables, défavorables, homogènes) ont été comparés aux mesures in-situ réalisées lors de la campagneexpérimentale de Lannemezan 2005. Les résultats se sont avérés très satisfaisants au regard de la variabilité desphénomènes observés. Cependant, l'utilisation des champs issus d'un modèle micro-météorologique de type Meso-NH reste délicate du fait de la forte sensibilité du niveau sonore aux profils verticaux de célérité du son. L'étude defaisabilité sur une expérience plus complexe (la Station de Long Terme) est encourageante et, à condition de disposerd'importants moyens de calculs, elle permet de considérer la TLM comme une nouvelle méthode de référence etainsi, d'envisager d'élargir son domaine d'utilisation à d'autres applications.

L’étude du cycle du carbone (C) dans les écosystèmes terrestres est fondamentale afin de comprendre leur rôle dans le cycle du carbone ainsi que les répercussions du changement climatique sur ces écosystèmes. L'objectif général de la thèse qui est de faire un suivi intra-annuel de l’allocation du C au sein de différents écosystème terrestre (forêt et prairie), se place dans ce contexte. Dans un premier temps les efficiences de production de biomasse aérienne (aBPE, rapport entre les quantités de carbone stockées dans la biomasse aérienne et absorbées) sont calculées pour des intervalles de temps réduits, du mois à la semaine selon l’écosystème (forêt et prairie). Dans un second temps, une estimation plus précise de l'allocation du carbone en forêt a été effectuée, en suivant la formation de certains composés structuraux (hémicelluloses et cellulose+lignine). Un possible lien entre la variation de cette allocation selon les conditions climatiques a été étudiée. Les efficiences correspondantes ont également été calculées mensuellement pour avoir une idée plus précise du stockage durable du C dans cet écosystème. Une comparaison avec la prairie a été réalisée en termes d’aBPE afin d'analyser les capacités respectives des 2 écosystèmes à s'adapter aux changements climatiques et à jouer un rôle dans la mitigation des gaz à effet de serre. Dans le cadre de l'Observatoire Pérenne de l'Environnement, deux écosystèmes voisins situés en Meuse (55) ont été instrumentés dans le but de mesurer en continu les échanges de CO2 à l’interface couvert‐atmosphère, ainsi que les conditions micrométéorologiques dans lesquelles ces échanges se produisent. De plus, un suivi régulier du développement des écosystèmes a également été réalisé / The study of the carbon (C) cycle is important in terrestrial ecosystems (forest, grassland) in order to understand their behavior, their role in the C cycle and also the impact of climate change on them. The general study of this thesis which is to monitor the intra-annual allocation of C into different terrestrial ecosystem (forest and grassland), lays within this context. Firstly we calculated aboveground biomass production efficiencies (aBPE, ratio between the quantity of C stored into the aboveground biomass and absorbed) intra-annually, weekly or monthly depending on the ecosystem (grassland and forest respectively). Secondly a more precise assessment of the C allocation in forest was made by analyzing the formation of structural C compounds (hemicelluloses and cellulose + lignins). A possible link between the variability of these allocations and climate was studied. The corresponding efficiencies were then calculated monthly in order to have a better idea of the sustainable C storage in this ecosystem. A comparison with a grassland in term of aBPE was then realized in order to analyze the adaptation capacity of each ecosystem to climate change and to play a role in the mitigation of GHG. Two neighboring ecosystems located in Montiers-sur-Saulx and Osne-le-Val were equipped, as part of the Observatoire Pérenne de l’Environnement (OPE), to measure continuously the CO2 exchange between land cover and atmosphere and the micrometeorological conditions in which these exchanges happen. A regular monitoring of those ecosystems development (biomass, leaves area, senescence) was also made

La vapeur d'eau est une composante clé du système climatique. Sa distribution et sa variabilité sont des sources d'incertitude dans les modèles climatiques. L'utilisation d'observations et des réanalyses des Contenus Intégrés en Vapeur d'Eau (CIVE) peut faciliter leur évaluation. Dans ce travail, des données CIVE-GPS retraitées du réseau mondial ont été utilisées pour la période 1995-2010. Afin d'évaluer les incertitudes et les inhomogénéités dans les séries GPS, une comparaison globale avec les données de réanalyse ERA-Interim a été faite. Un bon accord général a été trouvé sur les moyennes, la variabilité et les tendances ait été trouvé. Des interruptions et inhomogénéités ont été constatées dans les séries GPS, ainsi que les problèmes de représentativité dans les zones côtières et de topographie complexe. Dans ERA-Interim, des tendances trop fortes ont été constatées dans certaines régions. ERA-Interim a aussi été comparé avec d'autres réanalyses (MERRA-2, ERA-20C, 20CR), et des différences ont été trouvées dans les tendances de les CIVE sur l'Afrique, l'Australie et l'Antarctique. Enfin, les jeux de données CIVE-GPS et CIVE-ERA-Interim ont été utilisés pour évaluer quatre configurations du modèle de circulation générale atmosphérique LMDZ avec deux physiques, libres et guidées avec les vents d'ERA-Interim. Il a été trouvé que la nouvelle physique est plus humide aux latitudes tropicales. Sans guidage, pour les deux physiques, le modèle présente des difficultés à reproduire les tendances et la variabilité obtenues par GPS et par ERA-Interim. Cela confirme l'importance de la dynamique à grande échelle pour les tendances et la variabilité des CIVE. / Water vapour is a key component of the Earth’s climate system, and its distribution and variability are sources of uncertainty in climate models. The use of long-term integrated water vapour (IWV) observations and reanalyses can help in their assessment. This work pioneered the use of reprocessed GPS IWV data for 1995-2010, converted from estimates of Zenith Total Delay. The conversion was assessed, with the goal of producing a high quality long-term IWV data set. Due to uncertainties in the GPS observations and homogeneity concerns, a global comparison with ERA-Interim reanalysis data was made. Although a general good agreement in means, variability and trends was found, issues in both data sets were highlighted. In GPS, gaps and inhomogeneities in the time series were evidenced, as well as representativeness differences in coastal areas and regions of complex topography. In ERA-Interim, too strong trends in certain regions were found. ERA-Interim was also compared with other reanalyses (MERRA-2, ERA-20C, 20CR), and differences were found in the IWV trends over Africa, Australia, and Antarctica. Finally, GPS and ERA-Interim IWV were used to assess four configurations of the LMDZ atmospheric general circulation model with two different physics and with or without nudging towards ERA-Interim wind fields. Impact of the model physics on the IWV mean was found, with the new physics being moister at tropical latitudes. Overall, the model free runs in both physics have difficulty reproducing the trends and variability observed in ERA-Interim and GPS. This is improved with the nudging, which confirms the importance of large-scale dynamics on IWV trends and variability.

Ce travail a pour objet d’étudier les variations régulières de l’ionosphère aux moyennes et basses latitudes ainsi que l’impact de différents événements solaires sur l’ionisation. Pour quantifier ces variations, nous utiliserons les réseaux GPS qui permettent de mesurer le Contenu Total Electronique (TEC).Ce travail s’inscrit dans le cadre du projet ISWI. L’étude comprendra une analyse morphologique sur les variations régulières de l’ionisation en période de soleil calme (variation diurne, saisonnière et en fonction du cycle solaire) par le traitement de stations GPS en Europe et en Afrique sur la période analysée (2000 à 2014);les variations perturbées de l’ionosphère associées à des événements solaires retenus selon une grille de critères; L’analyse de l’indice ROTI afin d’étudier les scintillations ionosphériques génératrices d’une dégradation du positionnement aux basses latitudes et en particulier en Afrique.L’étude se poursuivra par la comparaison avec les modèles existants afin d’identifier leurs performances:le modèle NeQuick2, logiciel de modélisation du profil vertical médian l’ionosphère,Le modèle IONEX/CODG qui est une cartographie journalière du TEC en des positions spatiales et temporelles particulières et issu du post-traitement des mesures GPS sur une couverture mondiale.Le troisième volet de cette étude sera de donner des perspectives pour une éventuelle prévision de l’impact d'événements solaires particuliers sur l’ionosphère, par exemple la modélisation des gradients en période magnétiquement perturbée et la prévision de la présence du phénomène de scintillation ionosphérique sur certains trajets satellite-sol. / This work aims to study the regular variations of the ionosphere at middle and low latitudes and the impact of various events on solar ionization. To quantify these changes, we will use GPS networks to measure the Total Electronic Content (TEC) .This work is part of the project ISWI. The study will include a morphological analysis on regular variations in the ionization time of the Quiet Sun (diurnal variation, seasonal and based on the solar cycle) for the treatment of GPS stations in Europe and Africa over the period analyzed (2000 to 2014); variations disturbed ionosphere associated with solar events selected according to a set of criteria; Analysis of the ROTI index to study the ionospheric scintillation generating degradation positioning at low latitudes and especially Africa.The study will continue with the comparison with existing models in order to identify their performance: the NeQuick2 model modeling software profile of the median vertical ,the ionospheric model IONEX / CODG which is a daily mapping TEC in specific spatial and temporal positions and from the post-processing of GPS measurements on a third coverage mondiale.The component of this study will give prospects for a possible anticipation of the impact of specific solar events on the ionosphere, such modeling gradients in magnetically disturbed period and prediction of the presence of ionospheric scintillation event on some ground-satellite paths.

Dans le contexte du futur système de gestion du trafic aérien, un des objectifs consiste à réduire l’impact environnemental du trafic aérien. Pour respecter ce but, le concept de “free-route”, introduit dans les années 1990, semble bien adapté aujourd’hui. Les avions ne seraient plus contraints à voler le long de routes aériennes, mais pourraient suivre des trajectoires optimales en terme de consommation. L’objectif de cette thèse est d’introduire une nouvelle méthode de planification du trafic à l’horizon pré-tactique avec des objectifs quelques fois contradictoires, c’est-à-dire avec pour but de minimiser la consommation ou de façon équivalente la durée de trajet en tenant compte des conditions météorologiques et de minimiser l’encombrement de l’espace aérien.La méthode a été mise au point en deux étapes. La première étape a été consacrée au calcul d’une seule trajectoire optimale en terme de temps de vol en tenant compte du vent et de contraintes celles des zones interdites de survol. Cette optimisation est basée sur une adaptation de l’algorithme Ordered Upwind. La deuxième étape introduit un algorithme hybride développé, basé sur un algorithme de recuit simulé et sur l’algorithme déterministe développé dans la première étape, afin de minimiser un compromis entre la congestion et la consommation. L’algorithme combine ainsi la capacité d’atteindre la solution optimale globale via une recherche locale qui permet d’accélérer la convergence.Des simulations numériques avec des prévisions de vent sur du trafic européen donnent des résultats encourageants qui démontrent que la méthode globale est à la fois viable et bénéfique en terme du temps de vol total comme de la congestion globale donc de la diminution des conflits / In the context of the future Air Traffic Management system (ATM), one objective is to reduce the environmental impact of air traffic. With respect to this criterion, the “freeroute” concept, introduced in the mid 1990’s, is well suited to improve over nowadays airspace based ATM. Aircraft will no longer be restricted to fly along airways and may fly along fuel-optimal routes. The objective of this thesis is to introduce a novel pretactical trajectory planning methodology which aims at minimizing airspace congestion while taking into account weather conditions so as to minimize also fuel consumption.The development of the method was divided in two steps. The first step is dedicated to compute a time-optimal route for one aircraft taking into account wind conditions. This optimization is based on an adaptation of the Ordered Upwind Method on the sphere.The second step introduces a hybrid algorithm, based on simulated annealing and on the deterministic algorithm developed in the first step, in order to minimize congestion. Thus the algorithm combines the ability to reach a globally-optimal solution with a local-search procedure that speeds up the convergence.

Les vallées alpines urbanisées sont régulièrement soumises à des épisodes de pollution aux particules fines, en particulier sous des conditions hivernales anticycloniques. Ces épisodes se développent du fait de la conjonction de l'augmentation des émissions et de la stratification de l'atmosphère qui inhibe le mélange vertical et isole l'atmosphère de vallée de la dynamique de grande échelle. Le transport des polluants devient alors principalement piloté par les écoulements locaux d'origine thermique. Ces écoulements se caractérisent par une forte dépendance aux spécificités locales de la zone et sont difficiles à représenter dans les modèles numériques de prévision du temps, tout comme les conditions stables qui les accompagnent. L'amélioration de la prévision des situations de pollution hivernale en zone de montagne nécessite donc une meilleure compréhension de la dynamique locale en condition stable. Cette thèse s'inscrit dans ce contexte et vise à améliorer la compréhension de la structure des circulations locales à l'échelle de la vallée. Pour cela, l'étude s'appuie sur les données acquises lors de la campagne Passy-2015 et sur des simulations numériques haute résolution réalisées avec le modèle Méso-NH. La campagne s'est déroulée durant l'hiver 2014-2015 dans le bassin de Passy, situé à proximité du Mont-Blanc et à la confluence de trois vallées. Les concentrations en PM10 observées dans ce bassin excédent régulièrement les seuils réglementaires et montrent des hétérogénéités marquées au sein du bassin et avec les vallées adjacentes. L'étude de la dynamique met en évidence le rôle des circulations locales vis-à-vis des disparités dans la distribution spatiale des polluants. En particulier, les écoulements dans le bassin sont organisés selon différentes strates et génèrent des niveaux de ventilation hétérogènes. En journée, les échanges de masse s'opèrent de manière préférentielle entre les segments de vallée les plus ensoleillés. [...] / Air quality issues are frequent in urbanized valleys, particularly in wintertime under anticyclonic conditions. Pollution episodes occur due to the combination of increased emissions and atmospheric stratification that inhibits vertical mixing and isolates the valley atmosphere from large-scale dynamics. The transport of pollutants then becomes mainly driven by local thermally driven flows that largely depend on local characteristics and are difficult to represent in numerical weather prediction models. Improving the forecasting of winter pollution situations in mountain areas therefore requires a better understanding of local dynamics under stable conditions. This thesis fall within this objective and aims at improving the understanding of local wind dynamics at valley scale. It is based on high-resolution numerical simulations performed with Méso-NH and data from the Passy-2015 field experiment that took place during the winter of 2014-2015 within the Passy basin, located near Mont-Blanc and at the confluence of three valleys. The PM10 concentrations observed in this basin regularly exceed the regulatory thresholds and show marked heterogeneities within the basin and with adjacent valleys. The wind dynamics study highlights local flow characteristics that are consistent with the PM10 heterogeneities observed within the valley. In particular, flows within the basin show a stratified structure and give rise to heterogeneous ventilation levels. During the day, mass exchanges preferentially occur between the sunniest valley sections. At night, the convergence of flows from tributary valleys, along with the local orography, induces a very heterogeneous flow structure on the vertical and horizontal in the Passy basin. These characteristics tend to reduce ventilation in the basin especially in the eastern sector, which is also the most polluted sector during wintertime episodes. As spring approaches, the increase of solar radiation balances inter-valley mass exchanges, thus reducing pollutant accumulation within the basin. The analysis of mechanisms controlling local circulations underlines the importance of fine scale characteristics of topography and surface (snow cover) that determine the distribution of energy received at the surface.