Atmospheric boundary layer flows are characterized by the coexistence of a broad range of scales. These scales cover from synoptic- (100-5000 km) and meso-scales (1-100 km) up to three-dimensional micro-scale turbulence (less than a few kilometers). This multiscale nature inherent to atmospheric flows clearly determines the behaviour of the atmospheric boundary layer, whose structure and evolution are of major importance for the wind energy community. This PhD thesis is focused on the development of a numerical methodology that allows to include contribution from all the above mentioned scales, with the purpose of improving the representation of boundary layer processes. The multiscale numerical methodology is developed based on a numerical weather prediction (NWP) model, the Weather Research and Forecasting (WRF) model.<p><p>Prior to the development of the multiscale numerical methodology, one-year of sonic anemometer and wind LiDAR measurements from the FINO1 offshore platform are analyzed. A comprehensive database of offshore measurements in the lowest 250 m of the boundary layer is developed after quality data check and correction for flow distortion effects by the measurement mast, allowing the characterization of the offshore conditions at FINO1. Spectral analysis of high frequency sonic anemometer measurements is used to estimate a robust averaing time for the turbulent fluxes that minimizes non-universal contributions from mesoscale structures but captures the contribution from boundary layer turbulence, employing the Ogive function concept. A stability classification of the measurements is carried out based on the Obukhov length. Results compare well to other surface layer observational studies while vertical wind speed profiles exhibit the expected stability-dependency.<p><p>Although NWP models have been extensively used for weather forecasting purposes, a comprehensive analysis of its suitability to meet the wind energy requirements needs to be carried out. The applicability of the WRF mesoscale model to reproduce offshore boundary layer characteristics is evaluated and validated against field measurements from FINO1. The ability of six planetary boundary layer (PBL) parameterizations to account for stability effects is analyzed. Overall, PBL parameterizations are rather accurate in reproducing the vertical structure of the boundary layer for convective and neutral stabilities. However, difficulties are found under stable stratifications, due to the general tendency of PBL formulations to be overdiffusive and therefore, not capable to develope the strong vertical gradients found in the observations. A low-level jet and a very shallow boundary layer cases are simulated to provide further insights into the limits of the parameterizations.<p><p>Large-eddy simulations (LES) based on averaged conditions from a convective episode at FINO1 are conducted to understand the mechanisms of transition and equilibration that occur in turbulent one-way nested simulations. The nonlinear backscatter and anisotropy subgrid scale model with a prognostic turbulent kinetic energy equation is found to be capable of providing similar results when performing one-way nested large-eddy simulations to a reference stand-alone domain using periodic lateral boundary conditions. A good agreement is obtained in terms of velocity shear and turbulent fluxes of heat and momentum, while velocity variances are overestimated. A considerable streamwise fetch is needed following each domain transition for appropriate energy levels to be reached at high wavelengths and for the solution to reach quasi-stationary results. A pile-up of energy is observed at low wavelengths on the first nested domain, mitigated by the inclusion of a second nested domain with higher resolution that allows the development of an appropriate turbulent energy cascade.<p><p>As the final step towards developing the multiscale capabilities of WRF, the specific problem of the transition from meso- to micro-scales in atmospheric models is addressed. The challenge is to generate turbulence on inner LES domain from smooth mesoscale inflow. Several new methods are proposed to trigger the development of turbulent features. The inclusion of adequate potential temperature perturbations near the inflow boundaries of the LES domain results in a very good agreement of mean velocity profiles, variances and turbulent fluxes, as well as velocity spectra, when compared to periodic stand-alone simulations. This perturbation method allows an efficient generation of fully developed turbulence and is tested under a broad range of atmospheric stabilities: convective, neutral and stable conditions, showing successful results in all the regimes. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Ce travail a consisté à développer un modèle de canopée (CIM), qui pourrait servir d’interface entre des modèles méso-échelles de calcul du climat urbain et des modèles micro-échelles de besoin énergétique du bâtiment. Le développement est présenté en conditions atmosphériques variées, avec et sans obstacles, en s’appuyant sur les théories précédemment proposées. Il a été, par exemple, montré que, pour être en cohérence avec la théorie de similitude de Monin-Obukhov, un terme correctif devait être rajouté au terme de flottabilité de la T.K.E. CIM a aussi été couplé au modèle méso-échelle WRF. Une méthodologie a été proposée pour profiter de leurs avantages respectifs (un plus résolu, l’autre intégrant des termes de transports horizontaux) et pour assurer la cohérence de leurs résultats. Ces derniers ont montré que ce système, en plus d’être plus précis que le modèle WRF à la même résolution, permettait, par l’intermédiaire de CIM, de fournir des profils plus résolus près de la surface. / This study consisted in the development of a canopy model (CIM), which could be use as an interface between meso-scale models used to simulate urban climate and micro-scale models used to evaluate building energy use. The development is based on previously proposed theories and is presented in different atmospheric conditions, with and without obstable. It has been shown, for example, that to be in coherence with the Monin-Obukhov Similarity Theory, that a correction term has to be added to the buoyancy term of the T.K.E. CIM has also been coupled with the meteorological meso-scale model WRF. A methodology was proposed to take advantage of both models (one being more resolved, the other one integrating horizontal transport terms) and to ensure a coherence of the results. Besides being more precise than the WRF model at the same resolution, this system allows, through CIM, to provide high resolved vertical profiles near the surface.

La modélisation des impacts des changements climatiques sur les ressources hydriques d’un territoire est une préoccupation grandissante pour la communauté scientifique œuvrant dans les domaines des ressources en eau. Cette tâche est complexe car elle recèle de nombreuses incertitudes se cumulant lors du processus de modélisation, de la définition des scénarios de gaz à effet de serre jusqu’à la réalisation des projections hydrologiques. L’ensemble des outils de modélisation employés influence alors potentiellement notre capacité à réaliser un diagnostic des impacts des changements climatiques. Dans ce contexte, l’incertitude de modélisation associée à 20 modèles hydrologiques globaux conceptuels, 24 formules d’évapotranspiration potentielle et 7 modules de neige a été évaluée sur deux bassins versants : au Saumon (Province de Québec, Canada) et Schlehdorf (État de la Bavière, Allemagne). Les travaux menés cherchent à apprécier dans un premier temps la capacité de transposabilité des modèles hydrologiques ainsi que matérialiser l’intérêt d’une approche multimodèle dans ce contexte de changements climatiques. Par la suite, la démarche évalue la contribution des différents outils à l’incertitude cumulée, puis cherche à comprendre l’origine de leur sensibilité. Cette analyse s’appuie sur l’usage de critères de performance, de représentations graphiques des écoulements, d’outils statistiques et d’indicateurs hydrologiques du changement. Les incertitudes liées aux membres climatiques sont également évaluées pour le bassin versant québécois et permettent une comparaison avec les outils principalement étudiés. Les résultats révèlent que notre capacité à produire un diagnostic de l’incidence du changement climatique sur le régime hydrique des deux bassins versants est distinctement affectée par le choix des outils hydro-météorologiques globaux conceptuels. Chacun de ceux-ci ajoute à l’incertitude avec cependant une plus grande prédominance liée au choix des formules d’évapotranspiration potentielle et des modèles hydrologiques, les modules de neige étant eux plus transparents. Néanmoins, l’analyse comparative indique que le choix du membre climatique apporte encore plus à l’incertitude cumulée que les outils spécifiquement évalués. Ces travaux permettent d’apporter une réponse détaillée sur notre capacité à réaliser un diagnostic des impacts des changements climatiques sur les ressources hydriques de deux bassins, ainsi que de proposer une démarche méthodologique originale pouvant être directement appliquée ou adaptée à d’autres contextes hydro-climatiques. / Modeling climate change impacts on water resources remains one of the major challenges for the scientific community. This task is complex and contains numerous cumulated uncertainties all along the modeling process, from the greenhouse gas scenarios definition to the hydrological projections. All the modeling tools can thus potentially affect our ability to render a diagnosis of the impacts of climate changes on water resources. In this context, modeling uncertainty related to 20 lumped conceptual hydrological models, 24 potential evapotranspiration formulations, and 7 snow modules was evaluated on two catchments: au Saumon (Province of Quebec, Canada) and Schlehdorf (State of Bavaria, Germany). This work first assessed the transposability in time of the hydrological models and examined the interest of the multimodel approach in a climate change context. Then, contribution of the different tools to cumulated uncertainty is evaluated, followed by an investigation of individual sensitivity origins. This analysis was based on performance criteria, discharge graphical displays, statistics tools, and hydrological indicators of changes in water resources. More, uncertainties related to climatic members are also appraised on the Quebec catchment to allow a direct comparison with the principal studied tools. Results demonstrated that our capacity to render a diagnosis of the impacts of climate change on water resources on the two studied catchments was highly connected to the choice of the hydro-meteorological lumped modeling tools. Each one contributed to the total uncertainty; however, with a larger prevalence for the potential evapotranspiration formulations and hydrological models, snow modules being more neutral. Nevertheless, comparative analysis showed that the selection of a climatic member was affecting the total uncertainty the most. This research proposed a detailed analysis on our capacity to realise a diagnosis of the impacts of climate change on water resources for two studied catchments and provided a specific and original methodology directly applicable and adjustable to other hydro-climatic contexts.

La ville du Havre et son agglomération sont implantées entre l'estuaire de la Seine et le plateau crayeux du Pays de Caux. Ce territoire côtier est soumis à des risques naturels typiques des zones littorales que sont les submersions marines et l'érosion des falaises. L'étude a été réalisée à partir de photographies aériennes et de relevés topographiques aériens LiDAR (laser altimétrique). La ville basse du Havre, construite autour de bassins portuaires, est particulièrement sensible à l'aléa submersion marine. Des inondations urbaines ont déjà eu lieu en 1981, 1983 et 1984. Elles résultent d'une conjonction entre des hautes mers de vives-eaux et des surcotes marines produites par des dépressions et/ou des vents forts. L'étude a visé à cartographier les zones de débordement et d'inondation potentielle de la ville basse du Havre en superposant divers scenarii de niveaux d'eaux statiques et la topographie haute précision de la zone urbaine. Les falaises littorales de la pointe de Caux, situées entre le Cap de La Hève et le Cap d'Antifer subissent une dynamique gravitaire à mouvements de terrain récurrents. L'étude de la zone entre 1985 et 2008 (23 ans) montre un taux d'érosion moyen du haut de falaise de 18 cm/an. L'accumulation de dépôts d'éboulis a formé un talus continu en pied de falaise qui atteint un volume de 36,7 millions de m3. Les dépôts d'éboulis sont localement très variables en taille, volume et composition, du nord au sud du secteur d'étude. Bien que seul 10 % du linéaire du pied de talus soit atteint par les hautes mers en conditions de vives-eaux, le pied de talus peut localement être rogné par la mer et entraîner une déstabilisation de la falaise littorale. L'impact d'une augmentation du niveau marin au Havre est susceptible d'amplifier à long terme l'intensité de ces deux aléas côtiers, mais il apparaît cependant comme faible par rapport à l'influence des facteurs météorologiques.

Cette thèse a pour objet le premier développement d'une méthode de prévision de pluie par radar adaptée aux objectifs de l'hydrologie urbaine. Une revue des travaux effectués sur la prévision de pluie dans les vingt dernières années a été accomplie. Les algorithmes prometteurs utilisés dans les études précédentes ont été sélectionnés et améliorés en vue des objectifs de l'application envisagée : - concentration sur les fortes pluies ; temps de calcul inférieur a 60 secondes sur mini-ordinateur ; contrôle de qualité de la prévision. De cette analyse a émergé une nouvelle méthode de prévision. Une comparaison détaillée sur 94 images radar et une comparaison globale sur 1068 images ont montré la fiabilité de la méthode pour la prévision hydrologique. La pluie la plus importante de ces quatre dernières années en région parisienne a été étudiée particulièrement. De plus, deux paramètres liés seulement à la structure de l'image, peuvent servir d'indice de fiabilité, calculable a priori, de chaque prévision. Finalement, la méthode a été implantée sur les ordinateurs du service d'assainissement de Seine-Saint-Denis.

Dans la troposphère, le rayonnement électromagnétique hyperfréquence interagit avec la matière suivant trois processus : l'absorption par les molécules de gaz et d'eau, la diffusion due à la redirection de l'onde par les hydrométéores, et l'émission par les particules absorbantes d'un rayonnement naturel incohérent. Mes travaux ont pour base commune ces processus d'interaction des ondes électromagnétiques avec l'atmosphère, et concernent deux domaines distincts : la télédétection spatiale de l'atmosphère et les télécommunications Terre-satellite. J'ai développé une méthodologie originale de mise au point d'algorithmes neuronaux pour l'observation de l'atmosphère à partir de capteurs hyperfréquences passifs. Mes travaux ont mis en évidence la capacité des réseaux de neurones à restituer les paramètres physiques des phénomènes sous-jacents aux observations. Une amélioration des performances globales de la restitution des grandeurs atmosphériques est obtenue grâce à la modélisation de relations non linéaires que permet cette approche. Les perspectives multiples qu'offrent, en géophysique, l'emploi d'une architecture neuronale modulaire, ou l'utilisation des cartes de Kohonen, sont soulignées. L'évolution des systèmes de télécommunication hyperfréquence par satellites, pousse à utiliser des fréquences de plus en plus élevées. Aux fréquences supérieures à 20 GHz l'atmosphère est à l'origine de la dégradation de la qualité des liaisons. Je présenterai les campagnes de mesures, et les travaux de modélisation réalisés, dans le cadre de la mise au point de nouvelles techniques de lutte contre les affaiblissements (Fade Mitigation Technique). L'originalité de mes recherches relatives à la modélisation du canal de propagation réside dans l'usage de modélisations statistiques du type TARIMA GARCH, qui s'attachent, plutôt que de prévoir le comportement moyen du processus, à prévoir la variabilité et donc le risque d'un comportement extrême.

Pour les projets de développement des ressources naturelles ou tout autre projet ayant un impact sur l’environnement, l’acceptabilité sociale fait désormais partie du langage populaire et scientifique. Malgré les démarches de création de grilles d’analyse de critères qui se sont multipliées pour évaluer le développement durable d’un projet, celles-ci ne sont pas adaptées pour qualifier un projet qui vise à obtenir l’acceptabilité sociale. Grâce à l’analyse d’un cas réel dont nous nous inspirons, le projet de la mine d’apatite du lac à Paul de l’entreprise minière Arianne Phosphate, nous démontrons comment, avec la perspective éthique de la sollicitude de Paul Ricoeur, l’acceptabilité sociale niche dans les valeurs des intervenants concernés par un projet de développement. L’identification des valeurs se fait par l’analyse du rapport du Bureau d’audiences publiques en environnement (BAPE) déposé en août 2015 au ministre du Développement durable, de l’Environnement et de Lutte contre les changements climatiques du Québec sur le projet d’Arianne Phosphate. Ce qui est recherché consiste en la diversité et la multiplication des valeurs rencontrées lors des audiences. Celles-ci permettent de cibler les parties du projet nécessitant un investissement de temps pour que le projet se réalise dans la perspective de l’éthique dans le but d’atteindre l’acceptabilité sociale. À l’aide de l’approche par le « JE-TU-IL » de Paul Ricoeur, nous procédons à interpréter l’analyse des valeurs contenues dans les expressions décrivant les sentiments et l’état d’esprit des participants. Pour chaque partie du projet, grâce au rapport du BAPE, nous avons retracé les valeurs en confrontation à l’aide de tableaux référant aux critères du développement durable (environnementaux, économiques et sociaux) et ceux de l’acceptabilité sociale (transparence, écoute et intégrité), tel que proposé par le Conseil patronal de l’environnement. Les valeurs traduisent le sens que chacun cherche dans le projet et ce qu’il attend du promoteur. Il est donc possible, pour les participants en présence, de savoir sur quelle problématique il faut mettre l’emphase dans le but de l’inscrire dans une recherche d’une plus grande sollicitude, que nous appellerons « l’opérationnalisation » du « TU » de Paul Ricoeur. On constate que dans l’approche de la personne, le « TU » de Ricoeur exprime la sollicitude, attitude qui appelle l’écoute des valeurs. Par le fait même, on peut envisager que c’est dans cet espace précis que logerait l’acceptabilité sociale. Là où peu ou pas de valeurs sont énoncées, les conflits sont peu incommodants et l’acceptabilité sociale mieux rencontrée.

Antarctic Wind Engineering deals with the effects of wind on the built environment. The assessment of wind induced forces, wind resource and wind driven snowdrifts are the main tasks for a wind engineer when participating on the design of an Antarctic building. While conventional Wind Engineering techniques are generally applicable to the Antarctic environment, there are some aspects that require further analysis due to the special characteristics of the Antarctic wind climate and its boundary layer meteorology. <p>The first issue in remote places like Antarctica is the lack of site wind measurements and meteorological information in general. In order to complement this shortage of information various meteorological databases have been surveyed. Global Reanalyses, produced by the European Met Office ECMWF, and RACMO/ANT mesoscale model simulations, produced by the Institute for Marine and Atmospheric Research of Utrecht University (IMAU), have been validated versus independent observations from a network of 115 automatic weather stations. The resolution of these models, of some tens of kilometers, is sufficient to characterize the wind climate in areas of smooth topography like the interior plateaus or the coastal ice shelves. In contrast, in escarpment and coastal areas, where the terrain gets rugged and katabatic winds are further intensified in confluence zones, the models lack resolution and underestimate the wind velocity. <p>The Antarctic atmospheric boundary layer (ABL) is characterized by the presence of strong katabatic winds that are generated by the presence of surface temperature inversions in sloping terrain. This inversion is persistent in Antarctica due to an almost continuous cooling by longwave radiation, especially during the winter night. As a result, the ABL is stably stratified most of the time and, only when the wind speed is high it becomes near neutrally stratified. This thesis also aims at making a critical review of the hypothesis underlying wind engineering models when extreme boundary layer situations are faced. It will be shown that the classical approach of assuming a neutral log-law in the surface layer can hold for studies of wind loading under strong winds but can be of limited use when detailed assessments are pursued. <p>The Antarctic landscape, mostly composed of very long fetches of ice covered terrain, makes it an optimum natural laboratory for the development of homogeneous boundary layers, which are a basic need for the formulation of ABL theories. Flux-profile measurements, made at Halley Research Station in the Brunt Ice Shelf by the British Antarctic Survery (BAS), have been used to analyze boundary layer similarity in view of formulating a one-dimensional ABL model. A 1D model of the neutral and stable boundary layer with a transport model for blowing snow has been implemented and verified versus test cases of the literature. A validation of quasi-stationary homogeneous profiles at different levels of stability confirms that such 1D models can be used to classify wind profiles to be used as boundary conditions for detailed 3D computational wind engineering studies. <p>A summary of the wind engineering activities carried out during the design of the Antarctic Research Station is provided as contextual reference and point of departure of this thesis. An elevated building on top of sloping terrain and connected to an under-snow garage constitutes a challenging environment for building design. Building aerodynamics and snowdrift management were tested in the von Karman Institute L1B wind tunnel for different building geometries and ridge integrations. Not only for safety and cost reduction but also for the integration of renewable energies, important benefits in the design of a building can be achieved if wind engineering is considered since the conceptual phase of the integrated building design process.<p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

On proposera un tour d'horizon de quelques problèmes et méthodes inverses pour l'environnement (météo, océano, glacio).