Les radars à nuages sont des atouts indéniables pour la Prévision Numérique du Temps (PNT). De par leur petite longueur d’onde, ils possèdent une excellente sensibilité aux particules nuageuses et ils sont facilement déployables à bord de plates-formes mobiles. Cette thèse a permis d’évaluer l’apport des observations de radars à nuages pour la validation et l’initialisation de modèles de PNT à échelle kilométrique. Dans la première partie, un opérateur d’observation pour la réflectivité en bande W a été conçu en cohérence avec le schéma microphysique à un moment d'Arome, le modèle de PNT à échelle kilométrique de Météo-France, mais de façon suffisamment générale pour pouvoir être adapté à un autre modèle de PNT à échelle kilométrique. Il est adaptable pour des radars à visée verticale aéroportés ou au sol. Afin de dissocier les erreurs de positionnement des nuages prévus par Arome, de celles présentes dans l’opérateur d’observation, une nouvelle méthode de validation, appelée "la méthode de la colonne la plus ressemblante (CPR), a été élaborée. Cette méthode a été employée afin de valider et de calibrer l'opérateur d'observation en utilisant les profils de réflectivité collectés par le radar à nuages aéroporté Rasta dans des conditions variées durant la première période d’observations (SOP1) du programme international HyMeX, qui vise à améliorer notre compréhension du cycle de l'eau en méditerranée. La seconde partie s'est intéressée à l'apport respectif de l'assimilation de profils verticaux de réflectivité et de vents horizontaux mesurés par le radar à nuages Rasta dans le système d'assimilation variationnel tridimensionnel (3DVar) d'Arome. Le bénéfice apporté par des conditions thermodynamiques, via l'assimilation de la réflectivité en bande W, et dynamiques, via l'assimilation des profils de vents horizontaux, cohérentes dans l'état initial a également été étudié. Pour assimiler la réflectivité en bande W, la méthode d'assimilation "1D+3DVar", qui est opérationnelle dans Arome pour assimiler les réflectivités des radars de précipitation au sol, a été employée. La méthode de restitution bayésienne 1D de profils d'humidité a été validée avec des mesures d'humidité in situ indépendantes. Puis, les expériences d'assimilation ont été menées sur un événement fortement convectif, ainsi que sur une plus longue période de 45 jours. Les résultats suggèrent notamment que l'assimilation conjointe des profils de réflectivité en bande W et des profils verticaux de vents horizontaux permet d'améliorer les analyses d'humidité, mais suggèrent également une légère amélioration des prévisions des cumuls de précipitation

La région LOOP4, dans laquelle se trouvent les quatre nuages moléculaires d’intérêts, fait partie de la boucle céleste du nord et a été observée dans le centimétrique à l’aide des radiotélescopes DRAO et GBT afin entre autre d’y détecter la présence d’hydrogène moléculaire. Des observations supplémentaires ont été faites depuis le radiotélescope du Onsala Space Observatory dans le but d’examiner le ¹²CO(J = 1 - 0) et le ¹³CO(J = 1 - 0) dans le milimétrique. Cette molécule est considérée comme un traceur d’hydrogène moléculaire et elle est observable en émission sous les conditions physiques des quatre nuages. On considère que nos quatre régions (LOOP4P, LOOP4N1, LOOP4N2 et LOOP4N4) sont à l’équilibre thermodynamique local, permettant de décrire la distribution de population des niveaux d’énergie avec une seule température d’excitation. On observe le ¹³CO là où l’émission du ¹²CO est élevée, avec un rapport signal sur bruit 6 - 7. Deux à trois composantes en émission ont été observées, parfois sur la même ligne de visée, dans les quatre régions autant en ¹²CO qu’en ¹³CO, indiquant déjà que nous faisons face à des régions dont l’âge évolutif est assez jeune. Plusieurs composantes en ¹²CO sur une même ligne de visée indiquerait que celui-ci pourrait être partiellement optiquement épais. J’ai calculé les largeurs de raie du ¹³CO et constaté qu’elles sont systématiquement plus étroites que celles du ¹²CO, indiquant la faible opacité ainsi que la faible abondance de cet isotope ( << 1) en comparaison avec le ¹²CO. Les largeurs de raie du ¹²CO se situent entre 0:5kms⁻¹ et 1kms⁻¹ pour les quatre nuages, valeurs qui s’apparentent à celles des nuages moléculaires diffus. Par contre, les valeurs du ratio des intensités intégrées du ¹²CO et du ¹³CO, W(¹²CO)=W(¹³CO) se situent entre 3 et 13 et sont davantage associées aux nuages translucides, avec LOOP4N2 qui semble être le plus dense et le plus avancé en évolution. Les masses des nuages ont été calculées avec un facteur permettant de convertir l’intensité intégrée du ¹²CO en masse de H₂ le facteur XCO = 0:5 x 10²⁰cm⁻²(Kkms⁻¹)⁻¹, puis les températures d’excitation ont pu être obtenues à partir du ¹²CO. Les nuages moléculaires observés semblent être dans une étape de transition entre les nuages moléculaires diffus et les nuages translucides, dont LOOP4P et LOOP4N4 semblent être les plus diffus tandis que LOOP4N1 et LOOP4N2 semblent être les plus denses. / The LOOP4 region, in which we found our four molecular clouds of interest, is part of the northern celestial loop. millimetric observations from the DRAO and GBT radiotelescope have been made in this region, looking for IR excess over that expected from an atomic medium resulting in the presence of molecular hydrogen. Additional milimeter observations were made afterward from the Onsala Space Observatory radio telescope to examine the ¹²CO(J = 1 -0) transitions. This molecule is considered a tracer of molecular hydrogen and has observable emission lines under the conditions of our four clouds. We considere that our four regions (LOOP4P, LOOP4N1, LOOP4N2 and LOOP4N4) are in local thermodynamic equilibrium, which means that only one excitation temperature is needed to describe the distributon of energy levels. We only observe ¹³CO lines where ¹²CO lines are strong, with a signal over noise ratio of 6 -7. Two to three emission lines were observed, sometimes on the same line of sight, in our four regions in both ¹²CO and ¹³CO, giving us a glimpse of their early stage of evolution. Multiple ¹²CO components in one line of sight would indicate that it is partially optically thick. ¹³CO linewidths are sistematically narrower than that of ¹²CO, which is in agreement with the lower ¹³CO abundance, hence opacity. ¹²CO linewidths range between 0:5kms⁻¹ and 1 kms⁻¹ for all clouds, values that resemble diffuse molecular clouds. On the other hand, the ¹²CO and ¹³CO integrated intensity ratio, W(¹²CO)=W(¹³CO) ranges between 3 and 13 and they are more associated with translucent clouds, with LOOP4N2 who seems to be the denser and more mature cloud. Cloud masses were computed with the factor XCO = 0:5 x 10²⁰cm⁻²(Kkms⁻¹)⁻¹ and the excitation temperatures were obtained from the ¹²CO lines. The molecular clouds observed appear to be in a transition stage between diffuse molecular clouds and translucent clouds, of which LOOP4P and LOOP4N4 seems to be the most diffuse ones while LOOP4N1 and LOOP4N2 look to be the denser ones.

Bien cerner le rôle des processus liés à la formation et l’évolution des nuages moléculaires est essentiel à notre compréhension globale du milieu interstellaire (MIS) et de la formation stellaire. Les complexes gazeux à haute latitude galactique sont des laboratoires parfaits pour étudier la physique du MIS puisque n’entre en jeu que la turbulence, les champs magnétiques et le champ de radiation interstellaire. Utilisant des indices fournis par des raies d’absorption du H2 dans l’UV et la variation de couleur des grains de poussière, nous avons fait une recherche systématique de lieux de formation de molécules dans l’espoir de trouver des sites à différentes étapes d’évolution. / Understanding the processes related to the formation and evolution of molecular clouds is essential to our understanding of the interstellar medium (ISM) at large and of star formation. High galactic latitude clouds are ideal laboratories for studying the physics of the ISM as only turbulence, magnetic fields and the interstellar radiation come into play. Using clues from H2 absorption lines in UV and by comparing dust emissions to HI column density, we have probed the morphology and dynamics of many molecular clouds, in the hopes of identifying regions at different stages of evolution.

Les nuages noctulescents, également appelés nuages mésosphériques polaires (PMC) lorsqu'ils sont observés depuis l'espace, sont la manifestation visible de petits cristaux de glace d'eau pré- sents en permanence dans la région de la mésopause, l'été à hautes latitudes. Il s'agit de l'endroit le plus froid que l'on peut trouver sur Terre. En raison de l'extraordinaire altitude à laquelle ils se forment (∼83 km), à la frontière de l'espace, ils illuminent le ciel nocturne après le coucher du Soleil. De plus, leur grande sensibilité aux changements subis par leur environnement fait de ces nuages d'excellents traceurs des processus dynamiques et chimiques complexes qui contrôlent la mésosphère. GOMOS est un instrument dont le fonctionnement est basé sur la technique de l'occultation stellaire. Il est constitué de 4 spectromètres qui opèrent sur un large domaine spec- tral (UV-vis-proche IR), et de 2 photomètres à haute fréquence d'échantillonnage (470-520nm et 650-700nm). Lors des observations de jour, en plus de la lumière de l'étoile, GOMOS mesure aussi la lumière solaire diffusée par les molécules de l'atmosphère. L'été, au-dessus des pôles, les PMC peuvent être détectés de manière précise à partir du signal enregistré par les photomètres. L'orbite héliosynchrone d'ENVISAT permet de les observer dans les deux hémisphères. Les principales pro- priétés de ces nuages (fréquence d'occurrence, altitude, luminance) ont ainsi pu être déterminées. De plus, leur observation avec les spectromètres permet de connaître la dépendance spectrale des particules qui les constituent, à partir de laquelle il est possible de déterminer leur rayon. Une climatologie complète de tous ces paramètres a été établie tout au long de 8 années de mesure, de 2002 à 2010.

Ce travail est basé sur des analyses physico-chimiques d'échantillons de nuages prélevés au sommet du puy de Dôme, ainsi que sur des expériences d'irradiation photochimique en laboratoire. Après une caractérisation des nuages montrant des influences océaniques et anthropiques fortes, ce travail s'intéresse aux sources photochimiques de radicaux HO dans l'eau du nuage (fer et H2O2). Le fer montre une réactivité photochimique très faible dans ce milieu, à l'inverse du H2O2. Les voies de dégradation par attaque de radicaux HO en phase aqueuse de 13 acides carboxyliques et de 2 aldéhydes (composés organiques majoritaires dans ce milieu) ont ensuite été analysées pour permettre d'établir un schéma de dégradation global. De plus, nous montrons clairement au cours d'expériences en laboratoire la formation secondaire photochimique dans l'eau du nuage d'acides carboxyliques à courte chaîne carbonée. Ces résultats sont en accord avec nos données de terrain

De par l'influence radiative globale et permanente des poussières en suspension, la caractérisation microphysique de l'atmosphère martienne est un enjeu scientifique majeur. De plus, malgré un contenu humide restreint, des nuages de glace d'eau similaires aux cirrus terrestres se forment régulièrement. Au cours de cette thèse, le développement d'un modèle de microphysique a permis d'étudier la nature du couplage entre poussières, cristaux et vapeur d'eau. Essentiellement axés sur la structure verticale des brumes martiennes, nos travaux ont permis d'interpréter un jeu de données photométriques ayant abouti sur une estimation de la granulométrie de la poussière et des cristaux de glace. La conclusion de cette étude remet en cause le type de fonction jusqu'alors employée pour décrire le spectre en taille de la poussière, une hypothèse étayée par la structure des spectres de poussière observée dans les déserts sahariens. Par ailleurs, nous avons pu effectuer une analyse approfondie de l'impact de la nébulosité sur le cycle hydrologique martien. Notre introduction d'un schéma de nuages simplifié au sein d'un modèle de circulation générale a permis de quantifier le rôle considérable du transport de la glace atmosphérique sur la distribution géographique de l'eau. Cette étude s'inscrit dans la volonté actuelle de comprendre l'évolution de l'eau sur Mars. Liée à cette thématique, l'étude du cycle du deutérium est primordiale pour estimer la quantité d'eau s'étant échappée vers l'espace par le passé. Ce cycle est en partie contrôlé par un effet de fractionnement se produisant au sein des nuages qu'il nous a été possible d'étudier grâce à notre modèle microphysique. Nos résultats permettent de mieux comprendre la faible concentration en deutérium de la haute atmosphère dont l'observation a longtemps posé problème aux études théoriques passées.

Cette étude se penche sur l'interaction nuage-rayonnement simulée par le modèle GEM-LAM (modèle Global Environnemental multi-échelle à aire limitée) en évaluant avec des observations provenant de deux sites du programme ARM (Atmospheric Radiation Measurement) les différentes composantes atmosphériques ayant un impact sur le bilan radiatif de surface. Ainsi, le rayonnement vers la surface de courtes et longues longueurs d'ondes est comparé aux observations en fonction de la fraction nuageuse afin d'isoler l'effet de la vapeur d'eau ou de l'eau liquide des nuages sur le rayonnement descendant. À l'aide des cycles diurnes moyens et des distributions de fréquences, le principal biais identifié pour le rayonnement à la surface simulé par GEM-LAM est la surestimation du rayonnement d'ondes courtes incident à la surface vers le milieu de la journée. Ce biais provient, d'une part, d'une sous-estimation de la fraction nuageuse, et d'autre part, d'une trop grande transmissivité du rayonnement solaire des nuages lorsqu'ils sont présents, particulièrement pour les nuages optiquement minces. Le biais radiatif de courtes longueurs d'ondes est responsable d'un biais chaud de température près de la surface pour les saisons d'été aux deux sites. Ceci entraîne un biais positif du rayonnement d'oncles longues pour les conditions de ciel clair qui est toutefois compensé par la sous-estimation de la fraction nuageuse pour donner des biais réduits du rayonnement d'ondes longues pour toutes les conditions. De plus, le biais de courtes longueurs d'ondes pourrait être responsable d'un assèchement excessif de la surface et par conséquent mener à un déficit de vapeur d'eau dans l'atmosphère, particulièrement pour la saison d'été au site SGP. Cette étude illustre l'importance de l'évaluation individuelle des composantes de l'interaction nuage-rayonnement à l'aide de statistiques à hautes fréquences temporelles afin de bien identifier les erreurs compensatoires qui peuvent être présentes. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Interaction nuage-rayonnement, Modèle régional de climat, Schéma microphysique, Bilan radiatif de surface.

Les nuages de convection restreinte sont omniprésents au-dessus de l'Océan Tropical et durant l'été dans la couche limite des latitudes moyennes . Ils ont un impact sur la structure thermodynamique de la basse atmosphère et, par le biais de leur interaction avec la radiation solaire, ils influencent le budget énergétique à la surface. Dans ce projet, nous introduisons un paramétrage des nuages de convection restreinte dans le Modèle Régional Canadien du Climat (MRCC). Ce paramétrage est couplé au schéma de convection, qui est celui de Bechtold-Kain-Fritsch. La représentation de ces nuages ainsi que du MRCC avec ce paramétrage est évalué au-dessus du Pacific selon le protocole du GEWEX Pacific Cross-section Intercomparaison (GPCI). ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Convection restreinte, Paramétrage de la couverture nuageuse, Modèles régionaux du climat.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Physique de l'atmosphère : Toulouse 3 : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 191-198.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Météorologie : Toulouse 3 : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 165-172.