La détection des systèmes précipitants convectifs dangereux est une question de première importance pour la sécurité aérienne. Dans ce travail de thèse, nous développons des applications pour le domaine de la sécurité aérienne, en utilisant l’instrumentation micro-ondes active (radars) et passive (radiomètres) pour la détection des systèmes précipitants, et plus particulièrement les zones grêlifères, ainsi que pour la météorologie, c’est-à-dire la climatologie de la vapeur d’eau et de la réfraction anormale de la mesure radar au sol. Dans une première partie nous recherchons les configurations radars les plus adaptées pour l’observation des systèmes précipitants intenses, notamment la fréquence et la résolution angulaire, tout en imposant les contraintes de taille et poids des antennes à destination de l’aviation commerciale. Ensuite nous étudions les résultats de la technique bilongueur d'onde, inédite pour les radars aéroportés. Cette partie vise à améliorer la qualité des observations des radars aéroportés pour l’aviation civile.Dans une seconde partie, nous étudions la climatologie du cycle journalier, et de ses variations saisonnières, de la vapeur d'eau en Afrique de l'Ouest. La vapeur d'eau étant l'un des gaz atmosphériques les plus importants (effet de serre, source de rayonnement, cycle hydrologique, etc.) il est nécessaire de connaître en détail sa distribution. / The detection of dangerous convective precipitating system is crucial for the civil aviation safety. In this work, we develop applications for the aviation safety by using active (radar) and passive (radiometer) microwave instrumentation in order to detect precipitating systems, notably hail area. We also develop applications for the meteorology, i.e. a climatology of water vapor and the anomalous propagation of the microwave signal that is inducted by water vapor.In the first part, we study the best configuration for civil aviation airborne radars for the observation of precipitating systems, notably the frequency and the beamwidth. We have applied the constrain on the radar antenna of civil aviation that its size and its weight. Then we study the results of the dual-wavelength technic for the detection of hailstorm. This part aims to improve the quality of the observations made by civil aviation airborne radars. In the second part, we study the climatology of the water vapor diurnal cycle, and its seasonnal variations, in West Africa. Water vapor is one of the most important atmospheric gases (greenhouse effect, radiation, hydrological cycle, etc.), it is thus necessary to know in details the water vapor distribution in the troposphere. Based on this water vapor study, we then analyse the impact of the water vapor on the air refractivity and the propagation of microwaves. A climatology of anomalous propagation has been built for the instrumentation that uses microwaves.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les techniques actuelles pour la détection et la surveillance des conditions de sécheresse sont essentiellement basées sur des données fournies par un réseau de stations météorologiques. Ces réseaux sont parfois peu représentatifs car peu de stations, souvent mal situées, les constituent. Cette étude a pour but d’évaluer le potentiel de l’imagerie satellitaire pour la détection, la caractérisation et le suivi des conditions de sécheresse en Andalousie, au sud de l’Espagne. Les données du capteur AVHRR du satellite NOAA 11 ont été utilisées pour calculer le VCI et le TCI pour des aires de 11 km2 centrées à onze stations météorologiques. Ces indicateurs sont comparés à un indicateur de sécheresse météorologique, le SPI. L'analyse de la relation entre le VCI, le TCI et le SPI démontre généralement une bonne corrélation en période de sécheresse et semble supporter l’utilisation de l’imagerie satellitaire pour le suivi des sécheresses en milieu méditerranéen. / Current techniques for the detection and monitoring of droughts are based on meteorological networks. The small number of stations, often badly located makes these networks poorly representatives of the area they cover. The aim of this study is to evaluate the potential of satellite imagery for the detection, characterization and monitoring of drought conditions in Andalusia, in southern Spain. The satellite imagery used in this study comes from the NOAA 11 AVHRR sensor. Two indices (VCI and TCI) were calculated over 11 km2 areas centered over 11 meteorological stations. These were compared to the SPI, a widely used meteorological index. Correlation analysis between VCI, TCI and SPI show a good relation during drought periods and seem to support the use of satellite imagery for monitoring drought in the Mediterranean region.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

A l'heure actuelle, 16% des Français souffrent d'allergies à un ou plusieurs pollens. Les symptômes correspondants peuvent aussi bien se présenter sous une forme bénigne (rhinite, conjonctivite, toux) que sous une forme beaucoup plus grave : l'asthme. La prévision de la date d'apparition d'un risque d'exposition allergique aux pollens est donc nécessaire d'un point de vue sanitaire et préventif. Elle doit être la plus précise possible afin d'initier les traitements anti-allergiques au moment adéquat, dans un souci d'efficacité et de réduction des coûts liés à cette affection. La présente étude, qui a pour cadre géographique le territoire national français, concerne quatre taxons polliniques parmi les plus allergisants : le frêne, le bouleau, les Poacées et l'ambroisie. Ce travail comprend trois parties. La première partie consiste en une présentation générale des données polliniques composée d'une description des modes de recueil et d'analyse des pollens, d'une étude sur la qualité des séries polliniques et les divers problèmes rencontrés et, enfin, d'une description détaillée des quatre taxons de l'étude et de leur répartition géographique. La deuxième partie consiste en une description des différents critères de détermination du début de la saison pollinique et des méthodes inhérentes à sa prévision. Enfin, la troisième partie rassemble l'ensemble des résultats, pour les quatre taxons concernés, issus des méthodes de prévision sélectionnées et appliquées aux séries polliniques les plus longues. Cette dernière partie s'attache essentiellement à déterminer l'intérêt de l'utilisation des méthodes retenues, la qualité des modèles qui en sont issus et leur efficacité dans une optique préventive. Une étude sur les relations entre les concentrations polliniques et les variables météorologiques constitue le dernier volet de cette troisième partie.

Les fonctions de sensibilité dites a posteriori permettent de caractériser des corrections aux conditions initiales qui peuvent réduire significativement l'erreur de prévision à une échéance donnée (typiquement 24 ou 48 heures). L'erreur est ici définie par l'écart à une analyse de vérification et la fonction de sensibilité ne peut donc être calculée qu'a posteriori. De telles structures dépendent de la nature de l'écoulement et ne sont pas prises en compte dans le modèle de covariance d'erreur de prévision stationnaire utilisé dans un système d'assimilation de données variationnelle 3D (3D-Var) comme celui du Centre Météorologique Canadien (CMC). Pour remédier à ceci, Hello et Bouttier (2001) ont introduit une formulation différente des covariances d'erreur de prévision qui permet d'inclure les fonctions de structure basées sur des fonctions de sensibilité a priori définissant la structure de changements aux conditions initiales qui ont le plus d'impact sur une prévision d'échéance donnée. Dans ce cas, l'amplitude de cette correction est déterminée en s'ajustant aux observations disponibles. Dans ce projet, une formulation différente est proposée et comparée à celle de Hello et Bouttier (2001). L'algorithme, appelé 3D-Var adapté, est tout d'abord présenté et analysé dans le cadre plus simple d'une analyse variationnelle 1D (1D-Var) pour être ensuite introduit dans le 3D-Var du CMC. L'impact du changement apporté a été étudié en utilisant les fonctions de sensibilité a posteriori associées à une prévision manquée sur la côte est de l'Amérique du Nord. En mesurant globalement l'erreur de prévision, la fonction de sensibilité indique qu'il est nécessaire d'apporter des corrections à l'analyse sur différentes régions du globe. Pour le 3D-Var adapté, ceci conduit à une fonction de structure non localisée et l'amplitude de la correction est caractérisée par un seul paramètre défini par l'ensemble des observations disponibles. En comparant aux prévisions issues du 3D-Var opérationnel ou de l'analyse de sensibilité, la prévision issue de l'analyse du 3D-Var adapté est améliorée par rapport à celle du 3D-Var conventionel mais nettement moins que celle issue de l'analyse de sensibilité. Par contre, le 3D-Var adapté améliore l'ajustement de l'analyse aux observations alors que l'analyse de sensibilité le dégrade. En localisant la mesure de l'erreur de prévision sur la région correspondant au système météorologique du cas étudié sur la côte est de l'Amérique du Nord, la fonction de sensibilité est maintenant localisée sur une région mieux délimitée (dite région sensible). Il est également possible de varier la fenêtre temporelle utilisée pour définir la fonction de sensibilité. L'impact sur la qualité de l'analyse et des prévisions résultantes a été étudié autant pour l'analyse de sensibilité que pour le 3D-Var adapté. Les résultats montrent que la définition d'une fonction de structure appropriée pour un système d'assimilation vise à simultanément concorder aux observations disponibles et améliorer la qualité des prévisions. Les résultats obtenus montrent que l'utilisation des fonctions de sensibilité comme fonctions de structures n'est pas immédiate. Bien que limitées à un seul cas, nos expériences indiquent certaines pistes intéressantes pour définir des fonctions de sensibilité pouvant être utilisées comme fonctions de structures. Ces idées pourraient s'appliquer également aux fonctions de sensibilité a priori.

Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre du projet ANR FIABILITE qui porte sur la fiabilité des logiciels de simulation thermique dynamique et plus particulièrement sur les sources potentielles de biais et d'incertitude dans le domaine de la modélisation thermique et énergétique des bâtiments basse consommation. Les sollicitations telles que les occupants, la météo ou encore les scénarios de consommation des usages font partie des entrées les plus incertaines et potentiellement les plus influentes sur les performances d'un bâtiment basse consommation. Il est nécessaire pour pouvoir garantir des performances de déterminer les dispersions de sortie associées à la variabilité des entrées temporelles et d'en déterminer les variables responsables pour mieux réduire leur variabilité ou encore concevoir le bâtiment de manière robuste. Pour répondre à cette problématique, on se base sur les indices de sensibilité de Sobol adaptés aux modèles complexes à grandes dimensions tels que les modèles de bâtiment pour la simulation thermique dynamique. La gestion des entrées fonctionnelles étant un verrou scientifique pour les méthodes d'analyse de sensibilité standard, une méthodologie originale a été développée dans le cadre de cette thèse afin de générer des échantillons compatibles avec l'estimation de la sensibilité. Bien que la méthode soit générique aux entrées fonctionnelles, elle a été validée dans ce travail de thèse pour le cas des données météorologiques et tout particulièrement à partir des fichiers météo moyens (TMY) utilisés en simulation thermique dynamique. Les deux aspects principaux de ce travail de développement résident dans la caractérisation de la variabilité des données météorologiques et dans la génération des échantillons permettant l'estimation de la sensibilité de chaque variable météorologique sur la dispersion des performances d'un bâtiment. A travers différents cas d'application dérivés du modèle thermique d'une maison basse consommation, la dispersion et les paramètres influents relatifs à la variabilité météorologique sont estimés. Les résultats révèlent un intervalle d'incertitude sur les besoins énergétiques de l'ordre de 20% à 95% de niveau de confiance, dominé par la température extérieure et le rayonnement direct.

Ce travail de thèse a consisté à établir une base de données d'éboulements rocheux la plus exhaustive possible (pour des volumes supérieurs à 0,1 m3) pour une paroi rocheuse active dominant l'agglomération grenobloise, en utilisant des données de scanner laser et de photographie. Le site d'étude est une falaise calcaire de plusieurs kilomètres en bordure du massif de la Chartreuse, constituée de deux barres de morphologies différentes, l'une en calcaire lité, l'autre en calcaire massif.Les nuages de points issus du scanner laser permettent de reconstituer la falaise et les compartiments éboulés en 3D. Les données de surface des falaises, ainsi que des informations sur la localisation, les dimensions, le mécanisme de rupture propre à chaque compartiment ont été analysées pour caractériser l'évolution morphologique des deux falaises. Il apparait que la falaise inférieure, dont la morphologie dépend fortement de la fracturation et de l'érosion torrentielle des marnes sous-jacentes, présente une fréquence d'éboulement 22 fois plus importante que la falaise supérieure, de morphologie et pente régulière. De plus, dans la falaise inférieure, le taux d'érosion est 4 fois plus élevé entre 900 et 1000 m d'altitude, qu'entre 1000 et 1100 m. Cela montre que le régime d'érosion de cette falaise est transitoire, alors que celui de la falaise supérieure pourrait être permanent.Les éboulements rocheux détectés ont également été datés par un suivi photographique pendant 2,5 ans. Un suivi quasi-continu (1 photo toutes les 10 min), avec un objectif grand angle a permis de dater 214 éboulements de plus de 0,1 m3. Un suivi mensuel, avec un téléobjectif, a permis de dater 854 éboulements de plus de 0,01 m3. L'analyse de ces deux bases de données montre que la fréquence d'éboulements rocheux peut être 7 fois plus grande lors d'un épisode de gel-dégel que sans évènement météorologique particulier, et 4,5 fois plus grande lors d'un épisode de pluie. De plus, elle devient 26 fois plus grande si l'intensité depuis le début de l'épisode est supérieure à 5 mm/h. A partir de ces résultats, une échelle de 4 niveaux d'aléa a pu être proposée pour la prévision de l'aléa. La base de données plus précise et la définition des épisodes de gel-dégel ont permis de distinguer différentes phases dans un épisode de gel-dégel : refroidissement à température négative, réchauffement à température négative, et dégel (à température positive). Il apparait que les éboulements rocheux se produisent plus fréquemment lors des périodes de réchauffement (à température négative) et de dégel que lors des périodes de refroidissement. Cela suggère que les éboulements sont causés par la dilatation thermique de la glace plutôt que par la dilatation due au changement de phase. Ils peuvent cependant ne se produire que lors du dégel, car la cohésion de l'interface roche-glace peut être suffisante pour tenir le bloc jusqu'à la fonte de la glace. Des expériences in situ et en laboratoire ont permis de mesurer la pression de glace dans une fissure avec écoulement d'eau. Elles montrent que la glace formée par accrétion (gel de gouttes ou films d'eau) n'exerce pas de pression sur les parois rocheuses. / Using laser scanner data, an exhaustive rockfall database (for volume larger than 0.1 m3) has been established for a rockwall located near the town of Grenoble (France). The study site is a long double cliff, on the eastern border of the Chartreuse Massif. The two cliffs consist respectively of thinly bedded and massive limestone, which show different structures, morphologies and rockfall activities.The 3D point clouds obtained by laser scanner allow to detect and model the fallen compartments in 3D. Information about cliff surface, and localization, dimensions, failure mechanism for each compartment were obtained and analyzed in order to characterize the morphological evolutions of the two cliffs. It appears that the morphology and the slope of the lower cliff is related to fracturing and torrential erosion which occurs in the marls below the cliff. The rockfall frequency for this lower cliff is 22 times higher than for the upper cliff. Moreover, in the lower cliff the erosion rate is at least 4 times higher for an elevation between 900 and 1000 m than between 1000 and 1100 m. These results show that the erosion process in the lower cliff is in a transient state, whereas it could be in a steady state in the upper cliff. The morphology and the slope of the upper cliff is more regular than for the lower cliff.Rockfalls have been dated by photographic surveys during 2.5 years. A near-continuous survey (1 photo each 10 mn) with a wide-angle lens have allowed dating 214 rockfalls larger than 0.1 m3, and a monthly survey with a telephoto lens, dating 854 rockfalls larger than 0.01 m3. The analysis of the two data bases shows that the rockfall frequency is 7 times higher during freeze-thaw episodes than without meteorological event, and 4.5 times higher during rainfall episodes. Moreover, it becomes 26 times higher when the mean rainfall intensity (since the beginning of the rainfall episode) is higher than 5 mm/h. Based on these results, a 4-level hazard scale has been proposed for hazard prediction. The more precise data base and freeze-thaw episode definition make it possible to distinguish different phases in freeze-thaw episodes: negative temperature cooling periods, negative temperature warming periods and thawing periods. It appears that rockfalls occur more frequently during warming and thawing periods than during cooling periods. It can be inferred that rockfalls are caused by thermal ice dilatation rather than by dilatation due to the phase transition. But they may occur only when the ice melt, because the cohesion of the ice-rock interface can be sufficient to hold the failed rock compartment until the ice melt. The formation of ice in rock cracks has been studied in the field and in laboratory to highlight its influence on rockfall triggering. It has been shown that ice forming by an accretion process (freezing of water drops) doesn't exert a pressure on the crack walls.

Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre du projet ANR FIABILITE qui porte sur la fiabilité des logiciels de simulation thermique dynamique et plus particulièrement sur les sources potentielles de biais et d'incertitude dans le domaine de la modélisation thermique et énergétique des bâtiments basse consommation. Les sollicitations telles que les occupants, la météo ou encore les scénarios de consommation des usages font partie des entrées les plus incertaines et potentiellement les plus influentes sur les performances d'un bâtiment basse consommation. Il est nécessaire pour pouvoir garantir des performances de déterminer les dispersions de sortie associées à la variabilité des entrées temporelles et d'en déterminer les variables responsables pour mieux réduire leur variabilité ou encore concevoir le bâtiment de manière robuste. Pour répondre à cette problématique, on se base sur les indices de sensibilité de Sobol adaptés aux modèles complexes à grandes dimensions tels que les modèles de bâtiment pour la simulation thermique dynamique. La gestion des entrées fonctionnelles étant un verrou scientifique pour les méthodes d'analyse de sensibilité standard, une méthodologie originale a été développée dans le cadre de cette thèse afin de générer des échantillons compatibles avec l'estimation de la sensibilité. Bien que la méthode soit générique aux entrées fonctionnelles, elle a été validée dans ce travail de thèse pour le cas des données météorologiques et tout particulièrement à partir des fichiers météo moyens (TMY) utilisés en simulation thermique dynamique. Les deux aspects principaux de ce travail de développement résident dans la caractérisation de la variabilité des données météorologiques et dans la génération des échantillons permettant l'estimation de la sensibilité de chaque variable météorologique sur la dispersion des performances d'un bâtiment. A travers différents cas d'application dérivés du modèle thermique d'une maison basse consommation, la dispersion et les paramètres influents relatifs à la variabilité météorologique sont estimés. Les résultats révèlent un intervalle d'incertitude sur les besoins énergétiques de l'ordre de 20% à 95% de niveau de confiance, dominé par la température extérieure et le rayonnement direct. / This thesis is part of the ANR project FIABILITE dealing with the reliability of dynamic thermal simulation softwares and particularly with the potential sources of bias and uncertainties in the field of thermal and energy modeling of low consumption buildings. The solicitations such as the occupancy schedules, the weather data or the usage scenarios are among the most uncertain and potentially most influential inputs on the performance of a low energy building. To ensure the efficiency of such buildings, we need to determine the outputs dispersion associated with the uncertainty of the temporal inputs as well as to emphasize the variables responsible for the dispersion of the output in order to design the building in a robust manner. To address this problem, we have used the sensitivity indices of Sobol adapted to complex models with high dimensions, such as building models for dynamic thermal simulations. The management of the functional inputs being a lock for the scientific methods of standard sensitivity analysis, an innovative methodology was developed in the framework of this thesis in order to generate consistent samples with the estimate of the sensitivity. Although the method can incorporate generic functional inputs, it has been validated in this thesis using meteorological data and especially the typical meteorological year (TMY files) used in dynamic thermal simulations. The two main aspects of this development work lie in the characterization of the variability of meteorological data and the generation of samples to estimate the sensitivity of each weather variable dispersion on the thermal and energy performances of a building. Through various case studies derived from the thermal model of a low-energy house, the dispersion and influential parameters for meteorological variability are estimated. Results show a large range of uncertainties in the energy requirements from about 20 % at a confidence level of 95%.

Étudier les précipitations et leur lien avec la circulation atmosphérique augmente notre connaissance de leurs caracteristiques et aide à anticiper leur comportement futur. Des méthodes de déscente d'échelle sont développées pour fournir des informations météorologiques locales et importantes pour l'hydrologie à partir des informations issues des réanalyses ou des projections globales du climat. La méthode SANDHY (Stepwise ANalogue Downscaling method for HYdrology) est étendue à l'ensemble de la France métropolitaine en optimisant les domaines pour le prédicteur géopotentiel pour les 608 zones climatiquement homogènes en France en utilisant un algorithme qui permet de prendre en compte l'équifinalité. Une grande diversité des domaines pour le prédicteur géopotentiel a été trouvée. Trois voies pour augmenter la cohérence spatiale et diminuer l'espace des paramètres sont explorés : prendre en compte les domaines optimisés pour des zones voisines, rassembler des zones en utilisant des algorithmes d'aggregation et utiliser un preditant moins asymétrique pendant l'optimisation. Utiliser de l'information issues de zones voisines permet de compenser certaines limitations de l'algorithme d'optimisation. Une méthode de vérification spatiale (SAL) est ici adaptée pour les précipitations probabilistes simulées par SANDHY. Des mesures de performance derivées de cette version probabiliste du SAL sont ensuite utilisées pour évaluer différentes stratégies de déscente d'échelle concernant la cohérence spatiale à l'échelle d'un bassin versant. Les domains optimisés localement pour le prédicteur géopotentiel permettent de mieux localiser les précipitations dans le bassin tandis que des domains uniformes sur tout le bassin apportent une structure des précipitations plus réaliste. Les simulations de débit pour le bassin de la Durance sont le plus sensible à la localisation des précipitations ce qui souligne l'interêt d'une optimisation locale des domaines des prédicteurs. / Studying past and present day precipitation and its link to large scale circulation increases our understanding of precipitation characteristics and helps to anticipate their future behaviour. Downscaling techniques are being developed to bridge the gap between large-scale climate information from global reanalyses or GCM global projections and local meteorological information relevant for hydrology. The stepwise analogue downscaling method for hydrology (SANDHY) is extended to the whole mainland of France by optimising the geopotential predictor domains for 608 zones covering France using a multiple growing rectangular domain algorithm that allows to take equifinality into account. A high diversity of predictor domains has been found. To increase the spatial coherence three ways are explored to reduce the parameter space: assessing the skill for predictor domains found for other zones, form groups of zones using cluster algorithms and using a less skewed predictand variable during optimisation. Using information from neighbouring zones allows to counterbalance in part limitations of the optimisation algorithm. A feature based spatial verification method (SAL) is adapted for probabilistic precipitation simulation as provided by SANDHY. Skill scores derived from the probabilistic SAL are used to assess different strategies for spatially coherent precipitation downscaling at catchment scale. Locally optimised predictor domains lead to a better localisation of precipitation in the catchment and higher local skill while uniform predictor domains for the whole catchment lead to a more realistic spatial structure of the simulated precipitation. Streamflow simulations for the Durance catchment (Southern Alps) are most sensitive to the realistic localisation of precipitation which highlights the interest of locally optimising predictor domains.STAR