En dépit de moyens importants consacrés à la lutte, certains feux de forêt, en Europe méditerranéenne, en Australie ou en Amérique du Nord, parcourent de grandes surfaces et développent des comportements violents qui piègent les pompiers. L’étude de rapports internes aux services d’incendie révèle ici les conditions météorologiques et topographiques dans lesquelles se produisent ces feux dangereux. En France, alors que le vent violent est le principal contributeur des feux les plus grands et les plus dangereux, les températures élevées mènent à un autre type d’incendies violents qui se propagent rapidement. En Australie, les pompiers sont souvent piégés par une bascule brutale de la direction du vent mais aussi par des vents forts en terrain accidenté. Au-delà des disparités intercontinentales, la recherche des comportements dynamiques de feu impliqués dans plus de 100 accidents de pompiers à travers le monde amène à distinguer trois types d’incendie. Lors des feux topographiques, en zone de montagne, les accidents sont généralement causés par l’attachement de la flamme sur des pentes supérieures à 20°. Lors des feux guidés par le vent, les zones les plus propices aux accidents sont les pentes déventées où des effets de vortex peuvent se produire. Enfin, lors des feux convectifs, les plus violents, les accidents peuvent se produire loin de toute configuration dangereuse. Pour tenir compte de ces résultats et améliorer leur sécurité, les pompiers doivent adapter leur formation et de développer des compétences d’analyste du feu. Ces experts intègreront les retours d’expérience des incendies passés pour proposer les stratégies de lutte les plus efficaces et sécurisées. / Despite the large expenditure that is dedicated to forest fire suppression in Euro-Mediterranean countries, Australia and North-America, firefighters still face large and severe fire events which eventually entrap them. Investigation of Fire Services’ internal reports addresses here the weather and terrain leading to these dangerous fires. In France, strong wind is the main driver of the largest fires and of the fires that entrap firefighters. However, high temperature is also a key contributor as it influences violent fires with high rates of surface spread. In Australia, a lot of firefighters’ entrapments are due to shifts in wind direction, but others are associated to strong winds in rugged terrain. Whatever the regional specificities, more than 100 firefighters’ entrapments across the world were investigated to find the contribution of dynamic fire behaviors in these entrapments. The results return three different types of fires. During topography-influenced fires, in mountainous area, almost all the entrapments happen on slopes steeper than 20°, prone to flame attachment. During wind-driven fires, leeward slopes prone to vorticity-driven lateral fire spread are the most prominent configurations associated with entrapments. Finally, during convective fires, which are the most violent, entrapments can happen far away from any dangerous configuration. Firefighters should adjust their training courses and promote fire behavior analysts (FBAN) capabilities to benefit from the results of this work and improve their safety. FBAN may consider feedbacks from previous fires to suggest the most efficient and secure firefighting strategies and locations.

Ce mémoire de thèse s'intéresse à la production de prévisions hydrologiques probabilistes à court/moyen terme, dans un contexte impliquant plusieurs bassins aux débits plus ou moins corrélés. Notre cas d'étude réel concerne différents affluents du Haut-Rhône français. Le travail a été mené autour de la mise en place d'une chaîne de prévision combinant des approches ensemblistes, à savoir la prévision d'ensemble météorologique et le multi-modèle hydrologique, avec des méthodes de correction statistique. Les approches ensemblistes permettent de générer de manière dynamique une incertitude propre à chaque situation, tandis que les corrections statistiques, appliquées sur les prévisions météorologiques (pré-traitement) et/ou hydrologiques (post-traitement), sont nécessaires pour garantir la fiabilité.Chaque correction statistique, réalisée dans un cadre univarié, entraine la perte de la structure de dépendance spatiale et temporelle des prévisions. Nous nous sommes donc intéressés à son étape de reconstruction, en réalisant un diagnostic des méthodes existantes, notamment le Schaake shuffle et l'ECC. Des adaptations ont été proposées afin d'apporter une réponse aux limites constatées. Dans le cadre du pré-traitement, nous avons cherché à améliorer le conditionnement de la structure de dépendance à la situation météorologique. Pour le post-traitement, notre effort s'est porté sur le respect de l'autocorrélation des débits et le maintien de la fiabilité, notamment lors des phases problématiques de récession. La vérification des prévisions obtenues (météorologiques et hydrologiques) a été menée à l'aide d'outils univariés et multivariés, en portant une attention particulière à la fiabilité, grâce notamment au concept de stratification.Nous avons enfin étudié les interactions entre les différents maillons de notre chaîne de prévision, en comparant plusieurs scénarios où certains maillons seulement étaient activés. Cette expérience a permis de fournir des indications concrètes sur les priorités à mettre en œuvre lors du déploiement ou de l'amélioration d'une chaîne opérationnelle de prévision hydrologique probabiliste. / This dissertation adresses the production of short-to-medium range hydrological forecasts, in a context involving a number of basins with correlated streamflows. Our case study, based on real data, includes several tributaries of the upper Rhone river in France. Work has been conducted on implementing a forecasting chain that combines ensemble approaches, namely meteorological ensemble forecasting and hydrological multi-model, with statistical correction methods. Ensemble methods are able to dynamically generate an uncertainty that is case-specific, while statistical corrections, which are applied to meteorological (pre-processing) and/or hydrological (post-processing) forecasts, are needed to ensure forecast calibration.Each statistical correction, performed in a univariate framework, induces the loss of the spatial and temporal dependence structure of the forecasts. We were therefore interested in reconstructing such structure, first by making a diagnosic study of existing methods, notably the Schaake shuffle and ECC. Adaptations were proposed in order to address the identified caveats. For pre-processing, we aimed at improving the conditioning of the dependence structure on the meteorological situation. For post-processing, our effort focused on ensuring that streamflow forecasts respect the autocorrélation charateristics and preserve a good calibration, especially during the recession phases, which are problematic. Verification of the so-obtained (meteorological and/or hydrological) forecasts was conducted using univariate and multivariate tools, paying particular attention to the forecast calibration, thanks to the concept of stratification.Finally, we studied the interactions between the different modules of our forecasting chain, by comparing scenarios where only some of the modules were activated. This experiment allowed us to provide guidelines relative to the implementation or the upgrade of an operational probabilistic streamflow forecasting chain.

L'instrument AMBRE 1 (Active Monitor Box of Electrostatic Risks) est un spectromètre de mesure du plasma (ions positifs et électrons) composé de deux têtes de mesure qui a été lancé à bord du satellite Jason 3 en Janvier 2016. A travers la mesure du plasma thermique (énergies comprises entre ~0 et 35 keV) cet instrument permet, d'une part, de déterminer la charge électrostatique des satellites et les populations en étant à l'origine pour répondre à des enjeux opérationnels, et d'autre part, de caractériser les environnements plasma magnétosphériques avec des enjeux scientifiques. La réduction des caractéristiques physiques (poids, consommation électrique et encombrement) des instruments AMBRE est un enjeu clé dans le but de rendre son embarquement systématique sur les plateformes satellites (scientifiques comme commerciales) et ainsi étendre le réseau de ce type de mesures dans l'environnement terrestre. L'objectif de cette thèse porte sur la conception, le développement et la réalisation d'un prototype d'instrument AMBRE 2 répondant à ces enjeux, tout en améliorant les performances scientifiques. Cette nouvelle génération d'instrument repose sur l'utilisation d'une seule tête qui mesure les deux types de population de manière alternée dans le temps. L'étude de chaque sous-système d'AMBRE 2 a permis de trouver les meilleurs compromis permettant de mesurer les deux types de population tout en minimisant les ressources allouées à l'instrument. Un prototype a été réalisé et testé sous vide avec un canon à ions et un canon à électron courant octobre 2017 afin de valider son principe de fonctionnement. / The Active Monitor Box of Electrostatic Risks (AMBER) is a double-head thermal plasma (positive ions and electrons) electrostatic analyser that was launched onboard the Jason-3 spacecraft in January 2016. By measuring the thermal plasma (in the energy range ~0 - 45 keV) the instrument permits, on the one hand, to determine the spacecraft electrostatic charging and the populations at its origin with operational stakes, and, on the other hand, to characterize the magnetospheric plasma environments with scientific goals. Reducing the physical resources (weight, electric consumption, and volume) of the AMBRE line of instrument is key to a potential systematic embarkation onboard various platforms (scientific or commercial), thereby augmenting the constellation of such measurements in near-Earth space. The goal of the present thesis is to conceive, develop and build an AMBRE 2 instrument prototype that meets these goals while augmenting its scientific capabilities. This new generation of instrument relies on the use of a single head which alternatively measures ions and electrons. Each AMBRE 2 sub-system was studied and designed using the best trade-off solution between overall resources and capabilities. A prototype has been built and tested in a vacuum chamber with ion and electron beams in October 2017 in order to validate its functionality.

Le satellite SWOT (Surface Water and Ocean Topography), dont le lancement est prévu aux horizons 2020, observera la hauteur d'eau sur les cours d'eau de largeur supérieure à 100 m, avec une répétitivité d'environ 5 jours sur la France, en repassant tous les 21 jours au dessus du même point. Ces données serviront d'une part à valider les modèles hydrologiques, et d'autre part à améliorer leur utilisation pour le suivi hydrologique. La finalité des travaux réalisés est d'assimiler des données SWOT virtuelles de hauteurs d'eau en rivière, en tenant compte de l'incertitude attendue des observations. À partir des produits d'assimilation, l'enjeu final est d'optimiser les valeurs du coefficient de rugosité du lit de la rivière, paramètre déterminant dans les modèles hydrologiques pour la régulation des écoulements. Dans un premier temps, plusieurs développements du modèle hydrométéorologique régional ISBA/MODCOU sont effectués. Les objectifs principaux sont d'introduire la simulation de profondeurs d'eau pour permettre une comparaison simple avec les futurs produits SWOT dans la suite des travaux, mais aussi, de manière plus générale d'améliorer l'hydrodynamique du modèle, en particulier les variations temporelles de vitesse d'écoulement en rivière. La prise en compte d'une vitesse variable des écoulements en rivière permet d'améliorer de façon significative la qualité des simulations, validées sur des stations de mesure in situ localisés sur le réseau de rivières du bassin versant de la Garonne. La comparaison des sorties ISBA/MODCOU avec celles des modèles hydrauliques détaillés sur la Garonne aval montre que le modèle simule plutôt bien les variations temporelles de hauteur d'eau, mais n'est pas capable de renseigner localement de bonnes profondeurs (à cause de la forte hétérogénéité spatiale de la géomorphologie non prise en compte dans ISBA/MODCOU). Après avoir développé et évalué le modèle sur le bassin de la Garonne, la deuxième étape est alors de mettre en place un schéma d'assimilation de données permettant d'assimiler des produits synthétiques SWOT dans le modèle. Le système d'assimilation utilisé repose sur la méthode du " Best Linear Unbiased Estimator " (BLUE). Dans notre cas, les données SWOT virtuelles servent à améliorer un paramètre hydrologique déterminant dans ISBA/MODCOU : le coefficient de rugosité de la rivière. Etant donné que SWOT n'est pas encore en orbite, il est nécessaire de simuler les observations que le satellite fournira. Connaissant son orbite, il est possible de simuler la trace issue des repassages du satellite au dessus du bassin de la Garonne. On peut ainsi déterminer sur un cycle complet de 21 jours quelles rivières seront observées, et à quels instants. Une simulation ISBA/MODCOU de référence a servi pour créer des observations virtuelles. On connaît donc la réalité vers laquelle on souhaite tendre : ce type d'expérience est appelé " expérience jumelle ". Le but est ainsi de partir volontairement d'un état perturbé du modèle, et d'arriver à se rapprocher au cours des cycles d'assimilation vers notre réalité connue. Les résultats montrent que le système d'assimilation permet de converger vers la simulation de référence (± 1 Ks pour le coefficient de rugosité, ± 5 cm pour la hauteur d'eau) sous certaines conditions. La fin des travaux est consacrée à la prise en compte d'erreurs de mesures SWOT plus réalistes (liées à l'instrument embarqué sur le satellite, à la déformation des ondes dans l'atmosphère, etc.), ainsi qu'à l'assimilation de données de hauteurs d'eau issues de modèles hydrauliques détaillés sur la Garonne avale. De plus, étant donné que SWOT n'observera pas des profondeurs en rivières mais des élévations d'eau par rapport à un niveau de référence, l'assimilation de variations temporelles de hauteurs d'eau dans ISBA/MODCOU est testée. / The SWOT (Surface Water and Ocean Topography) mission will provide free water surface elevations, slopes and river widths for rivers wider than 100 m, with a repetitivity of about 5 days and a revisit time of 21 days over France. These data will allow to validate hydrological models and improve them to simulate the water cycle. The final goal is to assimilate virtual water surface elevations measured by SWOT, by taking into account the error of these measurements. By using these products, the goal is to improve the values of the roughness coefficient in a hydrological model. This coefficient is important because river flows are very sensitive to this parameter. First, several developpements are set up in the regional hydrometeorological model ISBA/MODCOU. These model improvements will make possible comparisons with the future SWOT products. The principal objective is to simulate river depths in order to make an easy comparison with the SWOT products in future works. This will also improve the hydrodynamics of the model, in particular the simulation of temporal variations of flow velocities in the river. The representation of a variable flow velocity significantly improves the quality of the simulations which are validated over in situ river gauges located in the Garonne catchment. The comparison of ISBA/MODCOU outputs with those of fine-scale hydraulic models in the downstream Garonne river shows that the temporal river height variations are well simulated, but that it is difficult to simulate locally the river depth (because the high spatial heterogeneity of the geomorphology is not taken into account in ISBA/MODCOU). After the developpement and evaluation of the model in the Garonne catchement, the second step is to build a data assimilation scheme able to assimilate synthetic SWOT data in the model. The data assimilation scheme is based on the " Best Linear Unbiased Estimator " (BLUE). In our case, virtual SWOT data are used to improve an important hydrological parameter in ISBA/MODCOU : the roughness coefficient of the river. Because SWOT is not yet in orbit, it is necessary to simulate future satellite observations. By knowing the orbit, it is possible to simulate the swath and revisit times of the satellite above the Garonne catchment. We can also know over a complete cycle of 21 days which rivers will be observed and when. A reference simulation of ISBA/MODCOU has been run to create virtual observations. In this way, we know the reality to which we want to tender. This kind of experiment is called " twin experiment ". The goal is to start volontary from a pertubed state of the model, and then to converge in the assimilation cycles to the known reality. Results show that the data assimilation system let to converge in the direction of the reference simulation (± 1 Ks for the roughness coefficient, ± 5 cm for the river height). The representation of more realistic SWOT errors is implemented at the end of the work (linked to the instrument on board, the deformation of the waves in the atmosphere, etc.), and also the data assimilation of river heights simulated by fine scale hydraulic models in the downstream Garonne. Furthermore, the assimilation of temporal variations of river depths in ISBA/MODCOU is tested, because SWOT will not observe river depths but surface water elevations above a known reference level.

Dans cette thèse, nous analysons les phénomènes météorologiques régionaux révélés par les récentes missions martiennes. L'approche est numérique et observationnelle : nous avons construit un modèle météorologique méso-échelle complet pour la planète Mars, dont les applications potentielles sont nombreuses, et réalisé une cartographie à haute résolution de la pression de surface en nous appuyant sur les données du spectro-imageur OMEGA à bord du satellite Mars Express. Nous nous concentrons notamment sur les intenses circulations atmosphériques au voisinage des volcans, canyons et cratères martiens. Nous analysons également l'activité météorologique régionale des plaines martiennes, bien plus marquée que ne l'indique l'analyse synoptique. Les mouvements convectifs dans la couche limite martienne sont étudiés. Mars apparaît comme un environnement propice à d'intenses phénomènes météorologiques régionaux.

Les particules d'aérosols tiennent une position centrale dans la formation des nuages. La description détaillée de l'interaction entre les particules d'aérosols et les nuages réalisée dans une dynamique tridimensionnelle est essentielle. Le modèle de nuage chaud à microphysique détaillée DESCAM est modifié pour permettre son couplage à la dynamique tridimensionnelle du modèle méso-échelle de Clark. DESCAM-3D est ensuite évalué dans le cadre de deux formations nuageuses. D'abord, l'impact sur les précipitations d'une pollution est étudié lors de simulations idéalisées réalisées sur le relief des Cévennes en France. Les résultats montrent qu'une atmosphère riche en noyaux de condensation ralentit considérablement la dynamique convective et réduit la formation de la pluie. Ensuite, le modèle couplé a été évalué à l'aide des mesures de l'expérience ACE-2. Il a montré un accord satisfaisant avec les observations et a aussi mis en évidence l'impact de la pollution sur le champ nuageux.

Les données et les observations sont des éléments fondamentaux dans les progrès de la science. Leur accès et leur partage sont cruciaux pour les chercheurs. Ces derniers se sont appuyés sur Internet et les services Web ces dernières années, mais cette solution n'est pas entièrement satisfaisante. Il y a en particulier en météorologie un décalage entre les besoins et les informations disponibles qui peut se résoudre en développant des outils permettant de composer les services Web entre eux. Cette composition permet d'accomplir des tâches qu'un service seul n'aurait pas pu réaliser. Pour répondre aux besoins exprimés, une méthode de composition doit être automatique et adaptative, signifiant qu'une composition ne doit pas nécessiter l'intervention de l'homme et qu'elle doit prendre en compte la disponibilité et le résultat de l'exécution des services Web. Pour combler ce décalage, mes objectifs sont de proposer, formaliser et développer une telle méthode. La première contribution est une formalisation des besoins spécifiques de la météorologie pour la composition de services Web. Cette thèse met en évidence les différences entre les services Web utilisés dans le domaine de la météorologie vis-à-vis des services Web habituellement rencontrés comme ceux de e-Commerce. Ma thèse propose également une nouvelle méthode de composition de services Web permettant la concaténation de données et proposant un moyen d'évaluer la qualité de ces compositions. Enfin, elle propose une méthode pour évaluer les méthodes de composition, qui répond aux besoins en météorologie.

Le mémoire fait la synthèse de mes travaux de recherche autour de la question de la production du ''meilleur`` état initial possible pour démarrer une prévision numérique de l'évolution de l'atmosphère. Cette thématique va nous amener à considérer la problématique de l'assimilation des données. En particulier, mes travaux ont abordé cette question en relation avec les modèles numériques de prévision météorologique régionaux, à aire limitée. Le mémoire peut se lire pour l'essentiel sous deux angles: * des considérations assez amont sur la recherche de l'état optimal d'un système dynamique connu imparfaitement, mais sur lequel un contrôle par des observations indépendantes est possible: observations ciblées dans un modèle idéalisé, scénarii de mesures, croissance des erreurs et analyse par vecteurs singuliers. * études poursuivies dans le cadre de l'implémentation d'une analyse variationnelle dans le modèle régional Aladin de Météo-France: croissance des erreurs dans ce modèle, réglage des variances d'erreur de prévision, prise en compte du système coupleur (plus précisément, de son analyse) dans un système couplé, propriétés de la solution adjointe Des perspectives de recherche et de développement sont abordées en conclusion.

L'objectif était d'approfondir notre connaissance sur les mécanismes d'échanges, près des zone s de convection profonde, plus particulièrement en périphérie des cyclones tropicaux en explorant les liens entre la convection tropicale et l'ozone troposphérique. Une approche climatologique a montré que l'influence de l'occurence fréquente de ces systèmes convectifs sur l'ozone troposphérique est double. L'analyse d'un cas de transfert subsident intense le 6 avril 1995 à la Réunion, alors à l'ouest du système Marlène, a permis de caractériser cet échange stratosphère-troposphère. L'examen du modèle idéalisé de cyclone tropical Hurricane a apporté des compléments dynamiques et a généralisé cette étude de mécanismes. De manière complémentaire au cas Marlène, trois situations météorologiques distinctes ou une forte interaction entre les dynamiques de la convection, du système jet-front et des ondes de Rossby induisent des échanges stratosphère-troposphère sont documentées

L'objectif principal de ce projet est de déterminer quels sont les processus physiques (forçages) responsable de la dynamique des fronts froids, ce qui n'a jamais été fait quantitativement. En premier lieu, une étude diagnostique est effectuée sur un échantillon de dix fronts froids continentaux nord-américains pour vérifier s'il existe une dynamique propre à ces fronts. Une étude semblable est faite sur dix fronts froids maritimes ouest-européens et les résultats pour chacun des groupes sont comparés. Les diagnostics portent sur le déplacement des fronts (tendances de tourbillon) et sur le mouvement vertical qui leur est associé. Nous utilisons l'outil DIONYSOS pour effectuer ces diagnostics. Les résultats obtenus ont révélé des différences fondamentales entre les dynamiques des fronts continentaux nord-américains et maritimes ouest-européens. Le Laplacien de l'advection de température est le forçage dominant sur la dynamique nord-américaines alors que c'est l'advection de tourbillon qui régie une grande partie de la dynamique des fronts ouest-européens. Cette différence importante s'explique par des gradients de température en bas niveau beaucoup plus prononcés sur le continent nord-américain que sur les régions côtières de l'ouest de l'Europe. La très faible variabilité observée dans la dynamique de chaque groupe laisse supposer une dynamique propre à chacune des deux populations frontales. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Fronts froids, Déplacement, Mouvement vertical, Diagnostique, DIONYSOS, Forçage, Météorologie.