Dédié à l'étude de l'astronomie gamma, le satellite Fermi a été lancé le 11 juin 2008. Il comporte à son bord l'instrument Large Area Telescope (LAT), sensible au rayonnement gamma dans la gamme d'énergie de 20 MeV à 300 GeV. Bien que la nébuleuse du Crabe ait été étudiée dans la gamme d'énergie 70 MeV à 30 GeV couverte par son précédesseur, l'expérience CGRO-EGRET, aucune nébuleuse n'a jamais été clairement identifiée dans le domaine des rayons gamma de haute énergie jusqu'au lancement de Fermi. Les pulsars alimentent les nébuleuses qui les entourent par l'injection permanente d'un vent d'électrons et positrons relativistes qui, accélérés au niveau de l'onde de choc délimitant les nébuleuses de pulsars, émettent un rayonnement pouvant être observé dans les différents domaines du spectre électromagnétique, et notamment dans le domaine des rayons gamma de haute énergie. Les données recueillies par le Fermi-LAT au cours des deux premières années de mission ont désormais permis la détection et l'identification de trois nébuleuses et de leurs pulsars associés (nébuleuses du Crabe, de Vela-X et de MSH 15-52) ainsi que de la nébuleuse de pulsar HESS J1825-137 découverte par les instruments au sol dédiés à l'astronomie gamma de très haute énergie. Les résultats des analyses temporelle, spectrale et morphologique réalisées sur les systèmes pulsars/nébuleuses détectés par le LAT sont exposés dans ce manuscrit. La synthèse des études systématiques réalisées (i) dans les régions comportant un pulsar émetteur en rayons gamma et (ii) dans les régions comportant une source émettrice de rayons gamma de très haute énergie étant identifiée en tant que nébuleuse de pulsar ou candidate en tant que telle, sont également présentés dans cette thèse. Ces études apportent de nouvelles contraintes sur les propriétés physiques des sources ainsi que sur les mécanismes de rayonnement mis en jeu dans la magnétosphère des pulsars et au sein de leurs nébuleuses.

L'analyse de la climatologie des aléas océano-météorologiques tels que les états de mer est fondamentale pour comprendre l'évolution et la dynamique des zones côtières, estimer les risques naturels survenant lors d'événements de tempête majeurs, définir les moyens optimaux de protection des ports et infrastructures onshore et offshore, caractériser la ressource houlomotrice pour des projets de récupération d'énergie des vagues, comprendre les processus d'érosion et accrétion des plages, etc. Pour répondre à ces problématiques dans un contexte de questionnement croissant sur les conséquences potentielles associées au changement climatique, le travail de thèse s'inscrit dans une démarche double : (i) approfondissement de la connaissance du climat de vagues actuel le long des côtes Atlantique, Manche et Mer du Nord en France d'une part, et (ii) estimation des évolutions futures potentielles de cette climatologie des vagues pour différents scénarios d'évolution climatique. L'estimation de l'impact du changement climatique sur le climat de vague se compose de trois éléments principaux : (i) une connaissance détaillée de la variabilité climatique actuelle des états de mer, (ii) l'utilisation de scénarios de changement climatique à l'horizon 2100 et (iii) la définition d'une méthodologie de descente d'échelle adaptée. Pour appréhender ces sujets, l'Atlas Numérique d'Etats de Mer Océanique et Côtier ANEMOC-2 a été construit à l'aide du modèle spectral de 3ème génération TOMAWAC (Benoit et al., 1996) sur la période 1979-2009 et le climat de vagues futur a été simulé à l'horizon 2100 par des méthodes de descente d'échelle dynamique et statistique en considérant les scénarios de changement climatique du quatrième rapport du GIEC (IPCC, 2007).En particulier, un travail original de comparaison de projections d'états de mer par approche dynamique et par approche statistique des types de temps a été réalisé sur la période 2061-2100 pour les scénarios B1, A1B et A2 simulés par le modèle ARPEGE-CLIMAT de Météo-France (Salas-Mélia, et al. 2005). Les résultats des deux approches (à savoir hauteur significative, période moyenne, direction moyenne et flux d'énergie des vagues) ont été comparés en termes de valeurs moyennes, écarts-types, distributions jointes et variabilités saisonnière et interannuelle. Ce travail a abouti à une estimation de l'impact du changement climatique sur la climatologie des états de mer le long des côtes Atlantique, Manche et Mer du Nord françaises sur la période 2061-2100 en tenant compte des incertitudes intrinsèques aux méthodes de descente d'échelle et aux scénarios de changement climatique. En hiver par exemple, nous observons une augmentation des valeurs moyennes et de la variabilité des paramètres de hauteur significative, période moyenne et flux d'énergie des vagues, notamment en Mer du Nord (pour les scénarios B1, A1B et A2) et dans le Golfe de Gascogne pour le scénario B1. En complément, ces paramètres d'états de mer ont tendance à diminuer dans le Golfe de Gascogne pour les saisons printemps, été et automne. Enfin, les paramètres d'états de mer associés aux hauteurs de vagues du quantile 95 tendent à augmenter sur une large emprise de l'Atlantique nord-est

Les modèles numériques d'état de mer décrivent l'évolution du spectre d'énergie de l'état de mer sous l'action conjointe de plusieurs processus physiques qui apportent, dissipent ou transfèrent de l'énergie. Une meilleure prise en compte des interactions non-linéaires entre quadruplets de fréquences de vagues est essentielle à l'amélioration des modèles d'état de mer. Sur la base d'une approche proposée par Lavrenov (2001), nous avons développé et optimisé une méthode de calcul quasi-exacte des interactions non-linéaires vague-vague en grande profondeur d'eau. Cette approche, nommée GQM (" Gaussian Quadrature Method "), est basée sur l'utilisation de quadratures de Gauss, et permet d'obtenir des estimations très précises du terme de transfert non-linéaire à des coûts de calcul raisonnables. A l'aide de cette méthode, nous nous sommes d'abord intéressés à la modélisation de l'évolution temporelle du spectre des vagues dans un cas homogène et sans forçage. Dans un second temps, l'introduction de différents termes de forçage par le vent et de dissipation par moutonnement nous a permis de montrer la sensibilité du spectre des vagues aux modèles choisis. Des situations plus proches de la réalité mais conservant une géométrie simple (fetch limité, fetch oblique) ont ensuite été modélisées en prenant en compte la propagation spatiale des vagues. Nous avons notamment comparé les résultats du modèle à des mesures issues de la campagne SHOWEX de 1999 (Duck, NC, USA). Les travaux effectués confirment d'une part la nécessité de modéliser de façon précise les interactions nonlinéaires dans les modèles spectraux d'états de mer et montrent d'autre part la faisabilité de ces améliorations grâce à la méthode GQM et l'algorithme de calcul mis au point au cours de la thèse.

Mes travaux de recherche portent sur le traitement des sons et de la musique, dont ils visent à extraire une représentation révélant leurs structures temporelles et spectrales. Diverses applications musicales ont été abordées, allant de la transcription automatique de musique à la séparation de sources, en passant par le codage audio. Une partie importante de ces recherches a été menée dans le cadre du projet ANR DESAM (Décompositions en Éléments Sonores et Applications Musicales), que j'ai coordonné de novembre 2006 à février 2010. Analyse spectrale à haute résolution. La première partie de mes travaux a été initiée dans le cadre de ma thèse, démarrée en septembre 2001 et soutenue en avril 2005, dont la finalité a été l'application des méthodes d'analyse spectrale à haute résolution au traitement des signaux audio et musicaux. Nous avons d'abord généralisé le modèle de signal sous-jacent et la méthode d'estimation et proposé une nouvelle technique de sélection de l'ordre du modèle. Par ailleurs, le nombre élevé de composantes fréquentielles et la forte dynamique spectrale des signaux audio ont nécessité de mettre en oeuvre des prétraitements adéquats et leur non-stationnarité a exigé de développer des méthodes adaptatives permettant de suivre les variations temporelles de chaque composante, en utilisant des algorithmes de poursuite de sous-espace. Ces outils ont été intégrés à la boîte à outils Matlab du projet DESAM et appliqués à la représentation temps-fréquence à haute résolution de signaux audio, à la séparation des composantes tonales et bruitées et à la synthèse avec effets sonores. A la suite de ma thèse, diverses applications musicales de ces méthodes ont été réalisées dans le cadre de collaborations avec des chercheurs et doctorants de laboratoires français ou étrangers : estimation de hauteur de notes de piano (thèse de Valentin Emiya à Télécom ParisTech), estimation de tempo musical (thèse de Miguel Alonso à Télécom ParisTech), analyse des modes couplés d'une harpe de concert (thèse de Jean-Loïc Le Carrou au LAUM, Le Mans) et codage audio (projet DESAM, collaboration avec le LMA, Marseille). D'autres applications ont également été réalisées, comme l'estimation de canal dans le domaine des communications numériques (collaboration avec l'université de Mondragón en Espagne) ou la factorisation de tenseurs structurés (collaboration avec le LSS, Gif-sur-Yvette). Décompositions non-négatives. La deuxième partie de mes travaux constitue une thématique nouvelle de- puis ma thèse, dont les différents aspects ont notamment été abordés avec les cinq doctorants que j'ai co-encadrés (Valentin Emiya, Nancy Bertin, Romain Hennequin, Benoît Fuentes et Antoine Liutkus). Elle s'intéresse à la décomposition de signaux audio à partir d'une représentation spectrale ou d'une représentation temps-fréquence, dans le but d'en extraire des éléments sonores possédant un sens musical, comme des notes de musique ou des accords. Ces décompositions prennent en compte différents critères : non-négativité de la représentation et des éléments sonores, critères psycho-acoustiques, harmonicité du spectre, régularité de l'enveloppe spectrale, régularité de l'enveloppe temporelle, variations temporelles de l'enveloppe spectrale, variations temporelles de la fréquence fondamentale. Elles s'appuient sur des extensions de la factorisation en matrices non-négatives, exprimées dans le formalisme de l'estimation bayésienne, qui permet de contraindre la décomposition en introduisant des modèles paramétriques appropriés ou des distributions a priori des paramètres. Les décompositions sont calculées à l'aide d'algorithmes multiplicatifs, dont nous avons étudié et amélioré les propriétés de convergence, ou d'algorithmes de type espérance-maximisation. Ces outils ont été appliqués à l'estimation de fréquences fondamentales multiples et à la transcription automatique de la musique. Ils ont également été intégrés à la boîte à outils Matlab du projet DESAM et leur évaluation a conduit au développement de la base de données MAPS (MIDI aligned piano sounds). Ils ont enfin été appliqués à la séparation informée des différentes sources sonores mixées dans un enregistrement stéréophonique.

L'analyse de la climatologie des aléas océano-météorologiques tels que les états de mer est fondamentale pour comprendre l'évolution et la dynamique des zones côtières, estimer les risques naturels survenant lors d'événements de tempête majeurs, définir les moyens optimaux de protection des ports et infrastructures onshore et offshore, caractériser la ressource houlomotrice pour des projets de récupération d'énergie des vagues, comprendre les processus d'érosion et accrétion des plages, etc. Pour répondre à ces problématiques dans un contexte de questionnement croissant sur les conséquences potentielles associées au changement climatique, le travail de thèse s'inscrit dans une démarche double : (i) approfondissement de la connaissance du climat de vagues actuel le long des côtes Atlantique, Manche et Mer du Nord en France d'une part, et (ii) estimation des évolutions futures potentielles de cette climatologie des vagues pour différents scénarios d'évolution climatique. L'estimation de l'impact du changement climatique sur le climat de vague se compose de trois éléments principaux : (i) une connaissance détaillée de la variabilité climatique actuelle des états de mer, (ii) l'utilisation de scénarios de changement climatique à l'horizon 2100 et (iii) la définition d'une méthodologie de descente d'échelle adaptée. Pour appréhender ces sujets, l'Atlas Numérique d'Etats de Mer Océanique et Côtier ANEMOC-2 a été construit à l'aide du modèle spectral de 3ème génération TOMAWAC (Benoit et al., 1996) sur la période 1979-2009 et le climat de vagues futur a été simulé à l'horizon 2100 par des méthodes de descente d'échelle dynamique et statistique en considérant les scénarios de changement climatique du quatrième rapport du GIEC (IPCC, 2007).En particulier, un travail original de comparaison de projections d'états de mer par approche dynamique et par approche statistique des types de temps a été réalisé sur la période 2061-2100 pour les scénarios B1, A1B et A2 simulés par le modèle ARPEGE-CLIMAT de Météo-France (Salas-Mélia, et al. 2005). Les résultats des deux approches (à savoir hauteur significative, période moyenne, direction moyenne et flux d'énergie des vagues) ont été comparés en termes de valeurs moyennes, écarts-types, distributions jointes et variabilités saisonnière et interannuelle. Ce travail a abouti à une estimation de l'impact du changement climatique sur la climatologie des états de mer le long des côtes Atlantique, Manche et Mer du Nord françaises sur la période 2061-2100 en tenant compte des incertitudes intrinsèques aux méthodes de descente d'échelle et aux scénarios de changement climatique. En hiver par exemple, nous observons une augmentation des valeurs moyennes et de la variabilité des paramètres de hauteur significative, période moyenne et flux d'énergie des vagues, notamment en Mer du Nord (pour les scénarios B1, A1B et A2) et dans le Golfe de Gascogne pour le scénario B1. En complément, ces paramètres d'états de mer ont tendance à diminuer dans le Golfe de Gascogne pour les saisons printemps, été et automne. Enfin, les paramètres d'états de mer associés aux hauteurs de vagues du quantile 95 tendent à augmenter sur une large emprise de l'Atlantique nord-est / Wave climate analysis is of utmost importance to understand the evolution and dynamics of coastal zones, to estimate the occurrence of extreme events, to design protections for ports, onshore and offshore infrastructure, to characterize wave resources for wave energy conversion, to quantify sediment erosion and accretion processes, et cetera. Thus, this thesis project aims to improve knowledge of wave climatology in the growing context of climate change prediction with a two-step approach: (i) enhancement of the understanding of the present wave climate along the French coastline facing the Atlantic Ocean, English Channel and North Sea and (ii) estimation of possible future wave climate evolution. For this purpose, the estimation of climate change impacts on the wave climate requires three key parameters: (i) detailed knowledge of current wave climate variability, (ii) the application of climate change scenarios from Global Climate Models and (iii) the definition of an appropriate downscaling method. To answer these questions, ANEMOC-2, a hindcast sea-state data base has been built based on the third-generation spectral wave model TOMAWAC (Benoit et al., 1996) over the period 1979-2009, and the future wave climate has been simulated over the period 2061-2100 by means of dynamical and statistical downscaling methods. In particular, an original approach comparing sea-state projections obtained from dynamical and statistical downscaling methods has been applied over the period 2061-2100 for B1, A1B and A2 scenarios (Forth Assessments Reports, IPCC, 2007), based on the ARPEGE-CLIMAT (Salas-Mélia et al., 2005) model simulations. The wave spectral parameters resulting from the projections (i.e. significant wave height, mean period, mean direction and wave energy flux) have been compared in term of mean, joint distribution and seasonal and interannual variability.The possible climate change impacts on the wave climate along the Atlantic, English Channel and North Sea French coastline have also been evaluated. The analysis provides estimations of the inherent uncertainties of climate change scenarios and downscaling methods. Wave climate evolution trends are presented in terms of the mean, joint distribution, and seasonal and interannual variability of significant wave height, mean period, mean direction and wave energy flux

Dédié à l’étude de l’astronomie gamma, le satellite Fermi a été lancé le 11 juin 2008. Il comporte à sonbord l’instrument Large Area Telescope (LAT), sensible au rayonnement gamma dans la gamme d’énergie de20 MeV à 300 GeV. Bien que la nébuleuse du Crabe ait été étudiée dans la gamme d’énergie 70 MeV à 30GeV couverte par son précédesseur, l’expérience CGRO-EGRET, aucune nébuleuse n’a jamais été clairementidentifiée dans le domaine des rayons gamma de haute énergie jusqu’au lancement de Fermi.Les pulsars alimentent les nébuleuses qui les entourent par l’injection permanente d’un vent d’électrons etpositrons relativistes qui, accélérés au niveau de l’onde de choc délimitant les nébuleuses de pulsars, émettentun rayonnement pouvant être observé dans les différents domaines du spectre électromagnétique, et notammentdans le domaine des rayons gamma de haute énergie.Les données recueillies par le Fermi-LAT au cours des deux premières années de mission ont désormaispermis la détection et l’identification de trois nébuleuses et de leurs pulsars associés (nébuleuses du Crabe, deVela-X et de MSH 15-52) ainsi que de la nébuleuse de pulsar HESS J1825-137 découverte par les instrumentsau sol dédiés à l’astronomie gamma de très haute énergie.Les résultats des analyses temporelle, spectrale et morphologique réalisées sur les systèmes pulsars/nébuleuses détectés par le LAT sont exposés dans ce manuscrit. La synthèse des études systématiquesréalisées (i) dans les régions comportant un pulsar émetteur en rayons gamma et (ii) dans les régions comportant une source émettrice de rayons gamma de très haute énergie étant identifiée en tant que nébuleuse depulsar ou candidate en tant que telle, sont également présentés dans cette thèse. Ces études apportent de nouvelles contraintes sur les propriétés physiques des sources ainsi que sur les mécanismes de rayonnement mis enjeu dans la magnétosphère des pulsars et au sein de leurs nébuleuses. / The Fermi Gamma-ray Space Telescope was launched on 2008 June 11, carrying the Large Area Telescope(LAT), sensitive to gamma-rays in the 20 MeV – 300 GeV energy range. The Crab Nebula had been detectedand studied in the 70 MeV – 30 GeV band using the CGRO-EGRET experiment, but no pulsar wind nebula(PWN) had ever been firmly identified in the high energy gamma-ray domain.PWNe are powered by the constant injection of a relativistic wind of electrons and positrons from theircentral pulsars. These charged particles are accelerated at the shock front forming the PWN and emit photons which can be observed along the entire electromagnetic spectrum, including the high energy gamma-raydomain.Data provided by the Fermi-LAT during the first two years of the mission have allowed the detection andthe identification of three PWNe and their associated pulsars (Crab Nebula, Vela X and MSH 15-52) as well asthe PWN HESS J1825-137 discovered by ground-based experiments sensitive to very high energy gamma-rays.Results of temporal, spectral and morphological analyses of the pulsar/PWN systems detected by Fermi-LAT, as well as results of systematic studies performed (i) around every gamma-ray pulsar detected by the LATand (ii) around every very high energy source identified as a PWN or a PWN candidate are presented in thisdissertation. These studies bring new insights and constraints on the physical properties of the sources as wellas on emitting processes in pulsar magnetospheres and in PWNe.