Les contraintes de rapidité et de discrétion imposées à un système moderne de caractérisation du milieu océanique ont conduit au développement de la tomographie passive, définie comme un moyen discret et rapide d'estimation des paramètres d'un canal acoustique. Ce concept fait appel aux signaux existants dans le milieu et transmis par des sources d'opportunité. Les signaux d'opportunité sont inconnus à la réception mais contiennent des informations relatives aux paramètres physiques du canal défini entre la source et le récepteur. Le travail de recherche présenté dans ce mémoire est d´edié à la caractérisation des milieux sous-marins en utilisant des signaux bioacoustiques d'opportunité (sifflements à modulation fréquentielle). La méconnaissance du signal transmis, de la position et de la vitesse de la source acoustique d'opportunité rendent la tomographie passive difficile à mettre en oeuvre. La propagation dans l'environnement océanique et le mouvement inconnu de la source transforment conjointement les signaux d'opportunité enregistrés. Dans un premier temps, nous présentons de nouvelles méthodes d'estimation simultanée des paramètres environnementaux et des déformations engendrées par le mouvement dans le plan d'ambiguïté large-bande, dans un contexte d'émissions actives (le signal transmis est supposé connu). Ces méthodes, permettant de compenser les effets du mouvement dans les scénarios d'´emissions actives, sont appliquées et validées sur différents jeux de données simulées et réelles enregistrées en mer. Puis nous nous intéressons à la tomographie océanique acoustique passive sur un unique hydrophone. Dans ce contexte, le signal transmis, la position et la vitesse de la source sont entièrement inconnus. A partir des estimateurs développés pour les scénarios d'émissions actives, nous présentons une nouvelle méthodologie permettant d'estimer les paramètres environnementaux en utilisant des vocalises de mammifères marins enregistrées sur un unique hydrophone. Les informations extraites sur les signaux naturels d'opportunité sont ensuite utilisées pour estimer la position puis le vecteur vitesse de la source d'opportunité. Ces méthodes sont appliquées et validées sur différents jeux de données simulées et réelles enregistrées en mer.

Cette thèse étudie la turbulence bidimensionnelle au moyen de simulations numériques. La turbulence bidimensionnelle intéresse surtout les météorologues et les océanographes car elle constitue une première approximation de leurs écoulements. Mon travail sur le modèle de turbulence bidimensionnelle du Laboratoire de Météorologie Dynamique a consisté à la fois en l'amélioration du modèle et la réalisation de diverses expériences sur ce modèle. La principale amélioration apportée au modèle est la mise au point d'une bonne modélisation de la cascade inverse d'énergie, i.e. une simulation plus réaliste des plus grandes échelles de l'écoulement. Les expériences réalisées sur ce modèle amélioré concernent la dispersion (absolue ou relative), i.e. nous simulons l'advection de flotteurs lagrangiens par l'écoulement. Les résultats obtenus diffèrent sensiblement des conjectures théoriques et nous obligent à envisager une approche différente de la dispersion turbulente. J'ai ajouté le travail d'une année, réalisé comme scientifique du contingent à l'Institut de Mécanique de Grenoble, sur les instabilités qui se développent dans une couche de mélange bidimensionnelle.

Les unités ophiolitiques du Queyras (zone Alpes occidentales) représentent des petits massifs de roche vertes dispersées dans les Schistes lustrés piémontais à l'Ouest du Mont Viso. Leur étude permet de reconstruire la structure du substratum d'une partie du segment ligure de la Téthys. Bien que de nombreuses observations de terrain conduisent à envisager une coupure majeure entre la mise en place des ultramafites et gabbros associés et l'épanchement des basaltes, l' analyse pétrographique et géochimique permet de conclure à un assemblage cohérent et comparable avec d'autres massifs ophiolitiques de l' Apennin et de la Corse. Les résultats obtenus soulignent le caractère tholéïtique de la lignée magmatique à l'origine des matériaux basiques, intermédiaires et acides des différentes unités. La typologie des zircons conforte cette hypothèse au niveau des roches acides. La répartition des éléments inertes, Y, Ti, Zr, Nb, montre les liens cogénétiques entre les matériaux basiques et les différenciats acides. La nature du fractionnement ainsi que l'estimation du degré de fusion partielle suggèrent une mise en place dans un environnement géotectonique à caractère transitionnel avec océanisation à proximité de marges continentales passives, ainsi qu'un magmatisme analogues à ceux à l'origine des ophiolites de la Méditerranée occidentale (magmatisme de type I). Les éléments de granitoïdes d'une brèche sédimentaire localisée à l' interface ultramafites-laves, se caractérisent par un cachet calcoalcalin et permettent d'envisager la proximité d'une croûte continentale dont le démantèlement a vraisemblablement été contemporain des stades précoces de l'ouverture de l'océan ligure. Les circulations hydrothermales liées à ce contexte océanique sont responsables des processus de spilitisation et des minéralisations localisées à l'interface substratum océanique / sédiments: le gîte Fe/Cu de Viafiorcia (Val Germanasca, Italie) en est un exemple.

Les flux air-mer, la convection profonde et la cyclogénèse sont étudiés en Méditerranée<br />grâce au développement d'un modèle régional couplé (AORCM). Il reproduit correctement<br />ces processus et permet de quantifier et d'étudier leur variabilité climatique. Le couplage<br />régional a un impact significatif sur le nombre de cyclogénèses intenses en hiver et sur<br />les flux et précipitations associés. Il simule une variabilité interannuelle plus faible qu'en<br />mode forcé pour les flux et la convection et permet de comprendre les rétroactions<br />qui la pilotent. L'impact régional d'un scénario climatique est analysé avec les modèles<br />non-couplés : le nombre de cyclogénèses diminue, les pluies associées augmentent au<br />printemps et en automne et diminuent en été. En outre, la Méditerranée se réchauffe,<br />se sale et sa circulation thermohaline s'affaiblit fortement. Cette thèse conclut de plus à<br />la nécessité des AORCMs pour étudier l'impact du changement climatique en Méditerranée.

L'assimilation de données lidar pour la modélisation de la qualité de l'air est étudiée via le développement d'un modèle d'assimilation des observations d'un réseau lidar au sol par la méthode d'interpolation optimale (IO) dans un modèle de chimie-transport. Dans un premier temps, un outil d'assimilation des concentrations de PM10 (particules en suspension dans l'air dont le diamètre est inférieur à 10 um) sur la verticale est développé dans la plateforme de modélisation de la qualité de l'air POLYPHEMUS. Cet outil est appliqué sur l'Europe de l'Ouest, du 15 juillet au 15 août 2001, afin d'étudier l'impact potentiel d'un futur réseau lidar au sol sur la modélisation et les prévisions (la description de l'avenir) des PM10. En utilisant un réseau lidar fictif, l'efficacité de l'assimilation des mesures d'un réseau lidar est comparée à celle d'assimiler des mesures de concentrations du réseau au sol AirBase, qui comprend environ 500 stations sol en Europe de l'Ouest. Des études de sensibilité sur le nombre et la position géographique des lidars sont également menées afin d'aider à définir un réseau lidar optimal pour les prévisions des PM10. Ensuite, un modèle de simulation de signal lidar normalisé (PR2) est construit et intégré dans POLYPHEMUS. Il est évalué par comparaison aux mesures d'un lidar mobile et d'un lidar fixe en Île-de-France durant la campagne d'été du programme de recherche européen MEGAPOLI (Megacities : Emissions, urban, regional and Global Atmospheric POLlution and climate effects, and Integrated tools for assessment and mitigation, juillet 2009). Les résultats montrent que ce modèle reproduit correctement la distribution verticale des propriétés optiques des aérosols et leur variabilité temporelle. Deux nouveaux algorithmes d'assimilation de signaux lidar sont également introduits et évalués durant la campagne MEGAPOLI. Les simulations des concentrations en masse d'aérosol avec et sans assimilation de données lidar sont évaluées en utilisant les données d'AIRPARIF (un réseau opérationnel régional pour la qualité de l'air en Île-de-France) pour démontrer la faisabilité et l'utilité de l'assimilation des signaux lidar pour les prévisions d'aérosols. Enfin, POLYPHEMUS, avec le modèle d'assimilation des signaux lidar, est appliqué dans le bassin Méditerranéen, où 9 lidar du réseau ACTRIS/EARLINET et 1 lidar à Corse ont effectué une période de 72 heures de mesures intensives et continues en juillet 2012 (Pre-CHArMEx). Les paramètres dans le modèle d'assimilation des signaux lidar sont aussi étudiés pour mieux caractériser son impact spatial et temporel sur les prévisions d'aérosols.

Ce mémoire a pour objectif d’analyser la pertinence d’une culture stratégique particulière, celle de l’Inde. Au moins quatre variables culturelles à dimension sécuritaire – l’identité, les valeurs, les normes et les perceptions – permettent d’expliquer la conception de la sécurité et du pouvoir indiens. L’hypothèse avancée dans ce mémoire est la suivante : à cause de l’influence de la culture stratégique indienne, l’océan Indien est perçu par l’élite indienne comme l’endroit où réside la principale menace à la sécurité de l’Inde. En outre, cette perception particulière de la menace permet de mieux comprendre les ambitions maritimes de l’Inde dans l’océan Indien à l’aube du 21e siècle. Afin de confirmer l’hypothèse, nous analysons l’influence de la culture stratégique indienne sur les approches stratégiques privilégiées par les décideurs Indiens au sein de l’océan Indien. Nous concluons, sur la base de l’étude cas, que l’objectif stratégique de New Delhi est de devenir la puissance maritime dominante de l’océan Indien. Le moyen privilégié est la création d’une marine océanique puissante, capable de maintenir en permanence une escadre en patrouille loin de ses bases navales. Sur le plan théorique, les actions indiennes – qui ont surtout un caractère défensif – sont justifiées par une doctrine de non-ingérence des grandes puissances dans les affaires indiennes, doctrine calquée sur la doctrine Monroe. Selon la doctrine indienne, seules les puissances régionales sont à même de préserver la stabilité dans la région de l’océan Indien. Conséquemment, le Gouvernement indien œuvre à réduire l’ingérence des marines de guerre étrangères au sein de l’océan Indien. / This thesis aims to analyze the relevance of a particular strategic culture, that of India. At least four cultural variables, each with a specific security dimension - identity, values, norms and perceptive lens - help us understand the Indian notions of security and power. The main hypothesis put forward in our paper is as follows: because Indian elite are deeply influenced by the prevailing Indian strategic culture, they perceive the Indian Ocean as the place where the main security threat to the country’s security lies. In addition, this particular security perception makes it possible to better understand India’s maritime ambitions in the Indian Ocean at the dawn of the 21st century. To confirm this, we analyze the influence of Indian strategic culture on strategic approaches privileged by Indian decision-makers within the Indian Ocean. We conclude that New Delhi’s strategic objective is to become the dominant maritime power in the Indian Ocean. The means to bring about this end is the creation of a strong blue water navy capable of sustaining a permanent squadron on patrol far from its naval bases. Furthermore, Indian naval activities - which are mainly defensive in nature - are justified by a doctrine of non-interference by major powers in Indian domestic affairs, a doctrine modeled on the Monroe Doctrine. According to the Indian doctrine, only the regional powers are able to preserve stability in the Indian Ocean region. Consequently, the Indian Government works to reduce the presence of foreign naval forces in the Indian Ocean.

Depuis quelques années, les observations spatiales des traceurs, comme la température de surface de l'océan (SST) ou la couleur de l'océan, ont révélé la présence de filaments à sous-mésoéchelle, qui ne peuvent être détectées par les satellites altimétriques. Ce travail de thèse explore la possibilité d'utiliser les informations dynamiques contenues dans les images traceur haute résolution pour compléter l'estimation de la dynamique océanique de surface effectuée par les satellites altimétriques. Pour ce faire, la méthode d'inversion développée est inspirée de l'assimilation de données images. A l'aide d'une fonction coût, on mesure la distance entre une image du flot dynamique et l'image des structures présentes sur le traceur. On a choisi pour cette étude d'utiliser le FSLE (Finite-Size Lyapunov Exponents) comme proxy image de la dynamique. Cette méthode est testée avec succès sur plusieurs cas test d'observations spatiales. Un modèle de processus coupl é physique-biogéochimie ainsi qu'un modèle réaliste de la mer des Salomon sont utilisés pour estimer l'erreur associée à la méthode d'inversion et la pertinence de la correction effectuée. L'utilisation conjointe d'images traceurs et de données altimétriques présente un fort intérêt pour le contrôle de la circulation océanique.

Cette thèse s'insère dans un cadre de modélisation réaliste pour l'étude de la mer d'Iroise. Les deux premières parties concernent la mise en œuvre numérique et la validation par rapport aux observations. L'accent est ensuite mis sur l'analyse des principales structures et processus physiques à l'œuvre en mer l'Iroise : d'abord le front de marée d'Ouessant et les processus associés de connexion de couches de mélange de surface et de fond puis la circulation résiduelle eulérienne moyenne pour laquelle nous avons cherché à quantifier la part relative des différents processus la régissant. Nous avons ensuite cartographié les différents régimes dynamiques présents : on observe ainsi des régimes cyclostrophiques autour des îles et en zone peu profonde et un régime géostrophique apparaît nettement au niveau du front, en particulier en été. Néanmoins, dans la plus grande partie du domaine d'étude, les différents termes dynamiques interviennent de manière équivalente. Du point de vue thermique, l'analyse du bilan de chaleur indique que les flux air-mer dominent nettement les flux advectifs bien qu'ils induisent une modulation haute fréquence marquée du gain net de chaleur. Ensuite, un paramètre diagnostic du front a ensuite été établi et le rôle de différents forçages externes (flux de chaleur air/mer, tension de vent, cycle de marée mortes-eaux/vives-eaux) sur la variabilité du front d'Ouessant est mis en relief grâce à des expériences de sensibilité. Enfin, l'étude des échanges de masse cross-frontaux, basée sur une technique de suivi de particules lagrangiennes, a été mise en place. La méthodologie apparaît robuste et les premiers résultats indiquent que ces exports s'effectuent selon des 'canaux' privilégiés de latitude.

" 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.