" Quels sont les pré-requis pour étudier l'influence du changement climatique simulé par les modèles couplés globaux de la génération actuelle sur le système d'upwelling du Pérou-Chili?" constitue la question centrale de cette thèse de doctorat. Grâce à une approche de downscaling (descente d'échelle) dynamique réalisé avec le modèle ROMS (Regional Oceanic Modelling System) pour une configuration au 1/6° de type eddy-resolving (cad qui permet de représenter les tourbillons mésoéchelle), nous espérons comprendre les processus qui vont contrôler les changements futurs de la circulation océanique dans cette région influencée par ENSO (El Niño-Oscillation Australe). Une étude des mécanismes physiques qui contrôlent la variabilité de type ENSO dans les simulations PI (pré-industrielles) réalisées avec les CGCMs (Modèles Couplés de Circulation Générale) de l'ensemble multi-modèle du WCRP-CMIP3 (les " modèles du GIEC ") permet d'identifier les modèles les plus fiables en termes de variabilité équatoriale. Elle est basée sur l'utilisation d'un modèle couplé intermédiaire du Pacifique tropical avec une stratification moyenne et un forçage de vent prescrits, afin de pouvoir dériver explicitement les termes d'advection du bilan de chaleur de la couche de mélange. Cette analyse permet de classifier les modèles en fonction de leur processus ENSO dominant: zonal advective feedback ou thermocline feedback. Les modèles au feedback hybride comme dans les observations représentent le mieux les processus couplés qui contrôlent la variabilité de la TSM, ce qui nous conduit à faire l'hypothèse que ce sont ceux qui fournissent les indices de confiance les plus élevés en termes de prédiction de l'évolution d'ENSO avec le réchauffement global. Parmi eux, deux CGCMs (IPSL-CM4 et INGV-ECHAM4) reproduisent le mieux l'état moyen ainsi que la variabilité intrasaisonnière à interannuelle de la température et des courants à la frontière Ouest du domaine du Pérou-Chili (100°W) et sont donc retenus pour des expériences de downscaling sur la région du HCS (Système de Courant de Humboldt). Les sorties océaniques des simulations PI et 4xCO2 (quadruplement de CO2) réalisées avec ces CGCMs sont utilisées directement comme conditions aux frontières ouvertes du modèle ROMS, tandis qu'un produit de vent haute-résolution (~50km) dérivé des CGCMs au moyen d'une méthode de downscaling statistique ainsi que les flux air-mer issus des CGCMs sont utilisés pour fournir le forçage atmosphérique. Par ailleurs, une simulation régionale de contrôle est réalisée à l'aide de ROMS avec des conditions aux frontières (réanalyse globale ORCA05 ½°) et un forçage atmosphérique (vents du satellite ERS et flux de la réanalyse atmosphérique globale ERA-40) réalistes sur la période 1992-2000. Cette simulation sert de référence pour les simulations de changement climatique régional. Elle permet notamment de documenter l'impact des ondes de Kelvin équatoriales intrasaisonnières sur la variabilité près de la côte, et illustrer ainsi l'importance du forçage à distance d'origine équatoriale pour la dynamique régionale du HCS. Nos résultats montrent en particulier que la latitude critique du modèle est située 5 à 15 degrés plus au sud que celle prédite par la théorie linéaire des ondes libres baroclines, surtout pour les oscillations autour de 120 jours. Le modèle régional présente une variabilité du large significative au sud de la latitude critique théorique, ce qui est également le cas dans les données satellite, soulignant ainsi les limites de la théorie linéaire dans le Pacifique Sud Est. De manière plus générale, ce travail propose une méthodologie pour effectuer des expériences de downscaling du changement climatique, qui constituent le lien nécessaire entre simulations du réchauffement global à l'échelle planétaire et études d'impact sur les écosystèmes, la pêche, l'agriculture et la société à l'échelle locale. Le travail contribue également à améliorer notre compréhension de certains mécanismes d'intérêt pour de telles études du changement climatique à l'échelle régionale.

Dans le cadre de ma thèse je me suis intéressée au Sous-Courant Équatorial (EUC) Pacifique, dont les eaux alimentent le Pacifique Équatorial Central et Est, région clé tant pour son rôle climatique que pour la productivité marine. D'une part, j'ai utilisé un modèle océanique pour décrire les sources de l'EUC, leurs transports, leurs caractéristiques moyennes hydrologiques et leurs trajectoires précises jusqu'à l'EUC. D'autre part, j'ai caractérisé l'enrichissement géochimique des eaux alimentant le Pacifique Équatorial, principales nourricières de la zone High Nutrients - Low Chlorophyll (HNLC), à l'aide d'un traceur géochimique, le néodyme (Nd). Finalement, j'ai couplé les deux approches pour quantifier l'évolution géochimique des eaux de la thermocline du Pacifique Sud-Ouest. La première partie a été motivée par la question soulevée depuis un peu plus de 10 ans concernant l'impact des variations des transports et des propriétés hydrologiques de la langue d'eau froide sur la modulation basse fréquence d'El Niño Southern Oscillation (ENSO). Les eaux constituant l'EUC présentent une large gamme de températures et de salinités qui expliquent l'hétérogénéité des propriétés de la langue d'eau froide et participent à la variabilité décennale d'ENSO. Dans ce contexte, j'ai étudié la structure verticale des masses d'eau de l'EUC au cours de leur advection vers l'est en fonction des différentes sources qui l'alimentent. Pour cela, j'ai utilisé un modèle océanique et un outil de suivi lagrangien qui m'ont permis de déterminer les sources majeures de l'EUC et leurs trajectoires et de quantifier l'évolution de leur transport entre la partie ouest (156°E) et la partie centrale de l'EUC (140°W). Nous nous sommes aussi intéressées à l'évolution des propriétés hydrologiques de ces sources entre 10°N/10°S et l'équateur. Nous avons ainsi pu mettre en évidence l'importance de la contribution des eaux transportées par les courants de bord ouest (WBCs), contribution dominée par les apports issus de la Mer des Salomon. Toutes les sources subissent des modifications hydrologiques lors de leur trajet vers l'EUC, et il semble notamment nécessaire d'invoquer une part de mélange diapycnal pour expliquer l'allègement en densité des eaux issues des WBCs. La seconde partie traite de la question majeure de l'enrichissement en éléments nutritifs de la zone HNLC, région cruciale en raison de la production biologique qui s'y développe et qui participe à la régulation du carbone atmosphérique. Au cours de la dernière décennie a été proposée l'hypothèse que les apports proviennent essentiellement des marges continentales de Papouasie Nouvelle-Guinée. Sur une base de circulation bien documentée, grâce à la première partie de mon travail, nous avons vérifié cette hypothèse à l'aide de mesures de traceurs géochimiques in situ, les Élements Terres Rares, et en particulier la composition isotopique du Nd, qui marquent les origines de la matière continentale présente dans l'eau de mer et aident à quantifier les processus par lesquels elle y parvient. Nous avons ainsi pu souligner un enrichissement progressif des eaux le long des îles du Pacifique tropical sud et un contenu géochimique souvent maximum le long des côtes de PNG. Un apport provenant des côtes d'Amérique Latine est envisagé pour les eaux s'écoulant sous l'EUC. Les résultats obtenus de la mesure des deux traceurs convergent vers l'hypothèse que le principal processus d'apport géochimique est la dissolution de matériel sédimentaire lors du contact des masses d'eau le long des côtes. Leurs évolutions suggèrent cependant une perte de matériel dissous vers la marge sédimentaire par adsorption sur les particules, très abondantes à l'embouchure des fleuves. La troisième partie couple le traceur virtuel - les trajectoires modélisées - et le traceur réel - les éléments géochimiques - pour se focaliser sur la quantification des flux géochimiques des eaux alimentant l'EUC, et ainsi la zone HNLC. Par ce couplage, nous avons pu déterminer les zones d'enrichissement des couches supérieures et inférieures de la thermocline transitant par les WBCs sud, entre leurs régions de subduction et l'amont de l'EUC. Si les eaux de la thermocline supérieure semblent s'enrichir principalement le long des côtes des îles du Pacifique Tropical Sud, celles de la thermocline inférieure bénéficieraient en plus d'un fort apport le long des côtes de PNG, très favorable pour une éventuelle réalimentation de la zone HNLC.

Les littoraux sableux sont des milieux très dynamiques à toutes les échelles de temps et d'espace. De nos jours, ils constituent une zone d'importance stratégique pour l'humanité du fait de son fort poids économique et démographique. Cette thèse a pour objectif d'étudier la morphodynamique de l'avant-côte de la région Languedoc-Roussillon (Méditerranée) à l'échelle pluri-décennale à séculaire. Ce travail est rendu possible par l'utilisation d'un LiDAR topo-bathymétrique aéroporté capable de cartographier de vastes étendues. Les résultats de ce travail montrent qu'il existe une grande variété d'états de plage et de morphologies de barres d'avant-côte. L'organisation de ces états est principalement contrôlée par les caractéristiques sédimentaires, les conditions d'agitation et le contexte géologique. Le budget sédimentaire de l'avant-côte a été étudié à l'échelle séculaire et montre un déficit global de plus de 26 millions de m3 de sédiments. La dynamique des barres d'avant-côte a été analysée à l'échelle pluridécennale et montre la présence et l'implication de barre d'avant-côte légèrement oblique dans le processus de Net Offshore Migration. Enfin, cette thèse a également mis en avant l'influence des activités anthropiques sur le comportement général de l'avant-côte à l'échelle régionale.

Dans le cadre de cette thèse, je me suis intéressé à la variabilité de l'ozone et des aérosols troposphériques en région méditerranéenne, plus précisément aux processus de transport qui pilotent cette variabilité et aux impacts radiatifs des aérosols des feux de biomasse. L'analyse de la campagne STAAARTE Hellen 96, première campagne aéroportée en Grèce, a permis d'établir que la variabilité de l'ozone dans cette région est pilotée en premier lieu par le transport à longue distance (Europe occidentale, Afrique du nord et haute troposphère), puis modulée par les émissions locales. Ensuite, l'analyse de la campagne Pic 2005, effectuée dans les Pyrénées françaises, a permis de discuter la représentativité de l'ozone au niveau de la station d'haute altitude du Pic du Midi, plus précisément d'estimer l'influence exercée par l'apport de masses d'air issues de la couche limite rurale par les brises orographiques estivales qui se développent dans la journée. A l'échelle de quelques heures, on observe souvent en été des écarts de l'ordre de 10 ppb entre l'ozone mesuré au Pic du Midi et la troposphère libre, écarts qui s'expliquent par le transport depuis la couche limite et le mélange de ces masses d'air avec la troposphère libre. La mesure en altitude au niveau du Pic du Midi est alors influencée à hauteur de 20 à 50% par la couche limite. Enfin, on a cherché à estimer l'impact radiatif des couches d'aérosols des feux de biomasse en utilisant d'une part les mesures d'une campagne d'étude du transport intercontinental de la pollution (ITOP 2004), d'autre part les observations successives effectuées par CALIPSO des incendies au sud de la Grèce en août 2007.

Les modèles mathématiques sont importants pour la compréhension de la dynamique de l'atmosphère et de l'océan. Mais si ils étaient notre seule source d'information aucune prévision ne serait possible faute, notamment au manque de la connaissance d'une condition initiale cohérente. On dispose également d'observations de ces systèmes en nombre de plus en plus important, notamment grâce aux nombreux satellites d'observation qui croisent maintenant au large de notre planète. Ces observations sont souvent indirectes et incomplètes, et de ce fait ne fournissent pas non plus, à elles seules, une connaissance approfondie de l'état du milieu considéré. Et pour finir, on dispose de statistiques sur les champs des variables atmosphériques, leur variabilité, leur cohérence en temps et en espace. Je présente donc, dans ce document, des méthodes permettant de combiner tout ou partie de ces informations afin d'améliorer la prévision et la connaissance du fonctionnement de ces systèmes. Ces méthodes se basent le plus souvent sur une théorie mathématique solide, mais les appliquer dans un contexte réaliste n'est pas toujours chose aisée. C'est pourquoi on gardera le souci d'accompagner les développements que nous effectuons jusqu'à des applications opérationnelles ou quasi opérationnelles afin de démontrer la faisabilité de ceux ci.

L'étude des matières en suspension (MES) minérales est essentielle pour comprendre le fonctionnement des écosystèmes en Manche : les MES influencent la pénétration de la lumière dans la colonne d'eau, paramètre clé pour la production biologique, et sont susceptibles de transporter des polluants et nutriments. Lors de ce travail, la dynamique des MES minérales de surface en Manche est étudiée à l'aide de deux méthodes complémentaires : l'observation par satellite et la modélisation numérique tridimensionnelle. Dans un premier temps, les images satellite MODIS et MERIS, traitées par l'algorithme semi-analytique développé par l'IFREMER et représentant les MES non-algales de surface, sont analysées afin d'élaborer trois modèles statistiques permettant d'estimer la MES de surface en fonction de variables basiques telles que le coefficient de marée, la hauteur significative des vagues et la concentration moyenne en chlorophylle-a. Dans un deuxième temps, le modèle hydrosédimentaire multiclasse tridimensionnel ROMS (Regional Ocean Modeling System) est implémenté en Manche. Il prend en considération le forçage par la marée aux frontières ouvertes, la contrainte exercée par le vent à la surface de la mer, l'interaction houle-courant en couche limite de fond et l'hétérogénéité spatiale réaliste du lit sédimentaire. Les résultats du modèle statistique le plus sophistiqué sont également utilisés pour forcer la concentration en MES aux frontières ouvertes du domaine de calcul. Des tests de sensibilité sur les conditions limites montrent l'importance de considérer de manière réaliste les sédiments entrant en Manche par les frontières ouvertes lors de la modélisation numérique. L'influence de la biologie sur les MES minérales est testée en utilisant une formulation de la vitesse de chute et de la contrainte critique d'érosion variant saisonnièrement. Grâce à ces deux outils associés, les influences respectives de la marée, de la houle et de la biologie sur les MES minérales sont mises en avant et localisées en Manche. Le modèle numérique prédit que les MES de surface sont composées principalement de silts (>70%). Les silts en suspension en surface proviennent majoritairement du lit sédimentaire près des côtes en Manche orientale et des frontières ouvertes du domaine de calcul à l'ouest de la presqu'île du Cotentin et au large en Manche centrale et orientale. Les variations des MES de surface sont ensuite étudiées aux échelles des cycles de marée semi-diurnes, vive-eau/morte-eau et autour d'un épisode de houles. Enfin, l'évolution de la concentration de sédiments dans la zone de forte turbidité autour de l'île de Wight peut être analysée suivant les conditions hydrodynamiques afin d'évaluer les rôles respectifs des processus locaux d'érosion/dépot et d'advection dans la génération de ces turbidités remarquables.

Nous étudions d'abord l'influence du mode annulaire Sud (SAM) sur la circulation méridienne de retournement Atlantique (AMOC) dans une simulation de contrôle avec IPSLCM4. Une phase positive du SAM, correspondant à une intensification des vents d'Ouest soufflant au Sud de 45° S, entraîne après 8 ans une accélération de l'AMOC, via une téléconnection atmosphérique peu réaliste. Une accélération de l'AMOC suit de 70 ans une phase positive du SAM, due à la propagation d'anomalies de sel du Sud vers le Nord de l'Atlantique. Ensuite, nous étudions dans quelle mesure l'Oscillation Multidécennale Atlantique (AMO) reflète les fluctuations de l'AMOC. Nous utilisons un filtre basé sur un modèle linéaire inverse (LIM) pour décomposer la température de surface de l'océan (SST) Atlantique Nord en une partie liée à la dérive globale, une à El Nino (ENSO), une à la variabilité de basse fréquence du Pacifique, et un résidu. Dans la simulation historique de IPSLCM5, enlever la dérive globale de l'AMO avec LIM induit de meilleures corrélations avec l'AMOC que lorsque ce signal est soustrait par une dérive linéaire. Enlever l'influence de ENSO de l'AMO améliore très légérement ses corrélations avec l'AMOC, tandis qu'enlever la variabilité de basse fréquence du Pacifique les dégrade. La robustesse de ces résultats est vérifiée dans des simulations de contrôle avec 5 modèles. Cette déconstruction de l'AMO est aussi effectuée dans les observations. Enfin, l'impact du forçage volcanique sur les liens AMO-AMOC est étudié dans une simulation du dernier millénaire avec IPSLCM4.

Le cadre général de ce travail est l'étude des problématiques de couplage de modèles dans le contexte applicatif de l'hydraulique et de l'océanographie. Ce sont des domaines dans lesquels les besoins sont nombreux, utilisant une vaste gamme de modèles tels que les équations de Navier-Stokes, de Saint-Venant ou des modèles intermédiaires tels que les équations primitives ou de Navier-Stokes hydrostatiques. Pour aborder ces questions de couplage, on a choisi d'utiliser les méthodes de Schwarz, pour leur caractère non-intrusif vis-à-vis des codes de calcul. On a travaillé tout d'abord sur les équations de Navier-Stokes, en envisageant deux discrétisations : une méthode de projection où la vitesse et la pression sont calculées dans deux étapes différentes, et un schéma couplé où toutes les inconnues sont calculées lors de la même étape. À chaque pas de temps, on est ramené à une équation de Stokes, pour laquelle différents opérateurs d'interface ont été considérés (Dirichlet, absorbants exacts et approchés...). La convergence de la méthode de Schwarz a été étudiée et testée numériquement dans la configuration classique de la cavité entraînée. Ces conditions ont ensuite été étendues, sans être testées numériquement, à des équations proches des équations de Navier-Stokes, à savoir dans un premier temps aux équations d'Oseen (qui sont une version linéarisée des équations de Navier-Stokes), et dans un deuxième temps en vue d'un couplage entre les équations de Navier-Stokes et les équations de Navier-Stokes hydrostatiques.

Les épisodes de fortes précipitations, caractéristiques du climat méditerranéen, souffrent parfois d'importantes erreurs de prévision. Ces erreurs proviennent essentiellement d'incertitudes sur les conditions initiales du modèle ou la représentation des processus physiques. L'impact des différentes sources d'incertitudes est classiquement étudié à partir de prévisions d'ensemble. Au cours de ce travail, nous avons développé une méthodologie d'ensemble visant à étudier la sensibilité des prévisions à différentes configurations initiales des anomalies dynamiques d'altitude. Ces anomalies sont des zones à fort gradient, susceptibles de constituer des zones d'erreurs de prévision privilégiées. Elles sont par ailleurs un précurseur connu des perturbations météorologiques. La méthodologie proposée repose sur l'advection de la variable conservative associée aux anomalies d'altitude : le tourbillon potentiel (PV). Le modèle utilisé, MIMOSA, advecte le PV sur un niveau isentrope, sur une grille de haute résolution, permettant de mieux représenter les petites échelles et les zones de gradient tout en contrôlant les grandes échelles grâce à une relaxation vers un PV de contrôle. Le PV MIMOSA a été introduit dans un modèle en équations primitives à l'aide d'un outil d'inversion du PV. Le choix retenu pour l'inversion est un algorithme qui fournit des solutions équilibrées au sens des équations du modèle. Différentes configurations d'advection du PV ont fourni un ensemble de conditions initiales au modèle de prévision ARPEGE. Cet ensemble dénommé ARPEGE-MIMOSA, a été appliqué à 5 cas réels de fortes précipitations : le premier épisode, ou "catastrophe de Draguignan" sur le département du Var le 15 juin 2010, est associé à une prévisibilité particulièrement faible ; les 4 autres cas ont été observés en 2012 durant la campagne HyMeX et ont été utilisés comme un premier échantillon pour évaluer l'apport statistique du système de prévision d'ensemble ARPEGE-MIMOSA. Le cas du 15 juin 2010 a fait l'objet d'une étude détaillée, qui a notamment confronté l'impact de perturbations d'altitude à celui des perturbations de basse-couche. Pour cette situation, nous concluons que les incertitudes des champs d'altitude ont joué un rôle mineur durant la première phase de l'épisode en raison d'une absence de couplage entre les anomalies de surface et d'altitude. Le rôle des incertitudes de surface a été examiné au moyen de plusieurs expériences perturbées: des modifications manuelles de la pression au niveau de la mer et du champ d'humidité se sont avérées toutes deux capables d'améliorer la première phase de l'épisode. Cette amélioration a été attribuée au déclenchement d'un système fortement précipitant le long d'une zone frontale. Pour la seconde phase de l'épisode, nous avons mis en évidence le rôle de l'humidité à travers une simulation qui permet de se rapprocher du scénario observé sans toutefois atteindre le niveau de précipitation observé. Une explication alternative a été alors proposée, mettant en jeu l'insuffisance du modèle à reproduire la progression d'une onde d'altitude dans un contexte fortement diabatique. Enfin, une évaluation objective du système de prévision d'ensemble ARPEGE-MIMOSA a été réalisée à partir des 4 cas HyMeX. Les résultats obtenus avec l'ensemble ARPEGE-MIMOSA ont été comparés aux résultats issus de deux systèmes de prévision d'ensemble opérationnels. Cette comparaison a permis de mieux quantifier l'erreur de prévision attribuable à la seule dynamique d'altitude et de mettre en évidence la valeur ajoutée du système ARPEGE-MIMOSA pour les seuils de fortes précipitations.

Les évènements de convection profonde sont importants car ils forment les masses d'eau intermédiaires et profondes qui nourrissent la circulation globale. La mer du Labrador, qui forme la Labrador Sea Water (LSW), est le site le plus documenté de l'océan Atlantique Nord. La mer d'lrminger a également été citée mais n'est pas entièrement reconnue à cause du manque d'observations directes. Cette thèse fournit la première description de la convection profonde en mer d'lrminger à l'échelle du bassin grâce aux données Argo. Trois évènements de convection se sont produits en mer d'lrminger depuis 2010. Au cours de l'hiver 2O11-2O12, la convection atteint 1000 m et est expliquée par la séquence d'apparition des tip jets groenlandais.La convection de l'hiver 2O13-2O14, qui atteint 1300 m, est caractérisée par un préconditionnement particulièrement important et un forçage par les tip jets faible. La convection de l'hiver 2O14-2O15, qui atteint 1700 m, montre des tip jets très nombreux et persistants. L'advection de LSW provenant de la mer du Labrador explique les profondeurs exceptionnelles observées au cours de ces deux derniers hivers. Les résultats montrent que la convection n'est pas rare en mer d'lrminger et qu'elle joue un rôle non négligeable sur l'équilibre climatique. / The deep convection events are important because they form the intermediate and deep water masses feeding the global circulation. The Labrador Sea is the main site of deep convection in the North Atlantic Ocean and produces the intermediate Labrador Sea Water (LSW). The lrminger Sea was also cited but was forgotten during decades because of the lack of direct observations. This thesis provides the first description of the lrminger Sea deep convection at basin scale, thanks to the Argo data. Three convective events occurred in the lrminger Sea since 2010. During the 2011-2012 winter, the convection reached 1000 m and is explained by the sequence of the Greenland tip jets. The event of the 2O13-2O14 winter, reaching 130O m, is characterized by a strong preconditioning and a weak forcings by the Greenland tip jets.The convection event of the 2O14-2015 winter, reaching 1700 m, shows many of persistant tip jets. The advection of LSW from the Labrador Sea explains the deepest mixed layers observed during the last two winters. The results show that deep convection in the lrminger Sea is not a rare isolated event and plays a significant role on the climate balance.