Ce travail de thèse vise à déterminer si le couplage de l'atmosphère avec la surface marine joue un rôle dans la variabilité intrasaisonnière estivale de la circulation atmosphérique de grande échelle et si la surface marine peut être une source de prévisibilité potentielle pour l'atmosphère à ces échelles de temps. Un second objectif consiste en l'analyse de l'impact de la représentation des processus physiques dans l'océan superficiel, et en particulier l'impact des variations diurnes océaniques, sur la représentation des températures de surface océanique et sur la circulation atmosphérique de grande échelle à des échelles de temps supérieures. Pour mener à bien ces travaux, le modèle océanique 1D CNRMOM1D a été développé : le choix des paramétrisations utilisées dans ce modèle vise à optimiser la représentation des processus physiques dominant l'évolution des températures de surface océanique aux échelles de temps diurnes à intrasaisonnières. Les résultats, obtenus à partir de simulations numériques effectuées avec le modèle d'atmosphère ARPEGE-climat forcé ou couplé avec le modèle CNRMOM1D, suggèrent que les anomalies de températures de surface océanique induites par la circulation atmosphérique de grande échelle exercent sur celle-ci une rétroaction négative aux échelles de temps intrasaisonnières : le couplage avec la surface océanique dans la région Nord-Atlantique Europe (NAE) diminue le nombre de jours de persistance des régimes de temps estivaux de Dépression Atlantique, de Blocage et de NAO- d'environ 1 jour ce qui représente 15% de leur persistance moyenne, cette diminution étant variable selon le régime de temps. A partir de simulations forcées du modèle CNRMOM1D, on montre que la correction en SST liée à la prise en compte des variations diurnes océaniques peut atteindre environ 0.3°C à 0.5°C en moyenne journalière. Cette anomalie peut persister 15 à 40 jours dans les moyennes latitudes, plus de 60 dans les Tropiques. De plus, à partir de simulations couplées avec le modèle ARPEGE-climat, on montre que la variabilité diurne océanique peut affecter l'état moyen estival par une diminution du gradient méridien de SST, une diminution de l'extension de la glace de mer, une anomalie de circulation atmosphérique de grande échelle qui se projette sur une phase positive de la NAO ainsi que des modifications de la couverture nuageuse et des profils d'humidité atmosphérique. Ce travail montre les améliorations potentielles, en termes d'états moyens océanique et atmosphérique et en termes de variabilité intrasaisonnière, que peuvent apporter un couplage à fréquence horaire et l'utilisation d'un modèle de circulation générale océanique à haute résolution verticale dans les simulations couplées océan-atmosphère.

Un nombre croissant de données satellitaires et aéroportées acquises dans le domaine micro-ondes sur la surface demer est aujourd’hui disponible. L’interprétation correcte de ces observations dépend d’une part de la précision desmodèles de diffusion électromagnétiques, et d’une autre part de la maîtrise des propriétés hydrodynamiques etstatistiques de la surface. Ces dernières années ont connu une amélioration considérable des modèlesélectromagnétiques et spectraux. Cependant, certains phénomènes sont encore mal compris et non pris en comptepar ces modèles. En particulier, la variation angulaire de la surface de mer est à ce jour non totalement caractériséeet modélisée. Ce travail de thèse concerne l’étude de cette variation azimutale et des asymétries directionnelles de lasurface de mer. Une première étape consiste à effectuer une analyse expérimentale en se basant sur les données dela littérature mais également sur d’autres jeux de données acquises par l’ONERA et le DSTO. Cette analysepermettra de caractériser les asymétries directionnelles en fonction de la géométrie d’observation, l’état de mer et lafréquence électromagnétique. Une seconde étape consiste à proposer des mécanismes physiques pouvant être àl’origine des asymétries directionnelles. L’asymétrie upwind-crosswind étant essentiellement liée à la fonctiond’étalement du spectre directionnel, notre étude théorique a principalement porté sur la caractérisation del’asymétrie upwind-downwind. Nous étudions l’influence de la prise en compte des formes déferlantes, initialementà travers des formes simples de vagues fortement asymétriques, et ensuite à travers une distribution de pentesexpérimentale prenant en compte ces formes de vagues. Les asymétries obtenues par un modèle deux-échellesprenant en compte ces formes de vagues sont en accord qualitatif avec les asymétries observées pour les bandes defréquences X et L. Une étape supplémentaire consiste ensuite à calculer les asymétries obtenues par un code dediffusion rigoureux sur des profils numérisés d’une expérience en soufflerie et permet la validation des résultatsobtenus avec un modèle deux-échelles. / An increasing number of airborne and spaceborne data acquired in the microwave regime on the sea surface is nowavailable. The appropriate interpretation of these observations depends on the precision of the electromagneticscattering models as well as the knowledge of hydrodynamic and statistical properties of the sea surface. Aconsiderable improvement has been realized in electromagnetic and spectral models in the recent years. However,some phenomena are still poorly understood and not correctly taken into account in these models. In particular, theangular variation of the sea surface is still not totally characterized and modeled. This PhD work concerns the studyof this azimuthal variation and the related directional asymmetries. A first step consists in carrying out anexperimental analysis based on data of the literature and other datasets acquired by ONERA and DSTO. Thisanalysis enables the characterization of the directional asymmetries with respect to acquisition geometry, sea stateand electromagnetic frequency. A second step consists in suggesting and testing physical mechanisms that may beat the origin of these directional asymmetries. As the upwind-crosswind asymmetry is essentially related to thespreading function of the directional spectrum, our theoretical study focused on the study of the upwind-downwindasymmetry. We investigate the influence of the presence breaking waves, initially through simple forms of stronglyasymmetric waves, and then through an experimental slope distribution including these wave forms. Theasymmetries obtained by a two-scale model taking into account these wave forms are in qualitative agreement withthe asymmetries observed at X and L bands. A further step consists in calculating the asymmetries using a rigorousmodel on digitized wind tank experiment profiles and allows the validation of the results previously obtained usinga two-scale model.

Dans le Pacifique sud-ouest, le cheminement des eaux depuis la gyre subtropicale vers l'équateur est réalisé via les courants de bord ouest (WBCs), associés à des changements de température ou de quantité d'eau à di?érentes échelles de temps. La mer des Salomon située au sud de la Pa- pouasie Nouvelle-Guinée est considérée comme une région clé pour étudier les WBCs juste avant qu'ils rejoignent l'équateur. Dans le cadre d'une collaboration internationale, deux campagnes en mer ont été réalisées en mer des Salomon pendant deux périodes contrastées de la saison des alizés (Juillet-Août 2012 et Mars 2014). En Juillet-Août 2012, pendant la saison de forts alizés, les WBCs transportent 36 ± 3 Sv à travers l'entrée sud de la mer des Salomon depuis la surface jusqu'à 1000 m de profondeur, mais seulement 11 ± 3 Sv en Mars 2014 (réduction de 70%) quand les alizés faiblissent. Les WBCs sont associés à des propriétés de masses d'eau distinctes qui subissent d'importantes modifications au cours de leur passage en mer des Salomon. En dessous de 2000 m de profondeur, l'Upper Circumpolar Deep Water (UCDW) est tracée depuis le bassin de Fidji et la fosse de la Nouvelle-Calédonie avant d'entrer en mer des Salomon, asso- ciée à un transport de masse de 2 à 3 ± 2 Sv. L'étude préliminaire des mouillages au niveau des détroits de sortie a permis d'identifier une modulation de l'intensité et de la structure ver- ticale des WBCs en relation avec la variabilité saisonnière des alizés. Les eaux de thermocline entre les différents mouillages varient généralement de manière cohérente et en phase à l'échelle intra-saisonnière et saisonnière. / The Low Latitude Western Boundary Currents (LLWBCs) of the Southwest Pacific establish a major connection between the subtropics and the equator. They are believed to play a key role in heat and mass budgets of the equatorial Pacific and cross, as a final passage, the Solomon Sea southeast of Papua New Guinea. As part of a France-U.S. collaboration, two oceanographic multidisciplinary cruises were conducted in the Solomon Sea during contrasting trade wind sea- sons, in July-August 2012 and March 2014 to characterize currents, water properties and their modifications. During July-August 2012, the season of strong southeasterly trade winds, an in- tense flow of 36 ± 3 Sv from the surface down to 1000 m is entering the Solomon Sea, that falls by 70% to 11 ± 3 Sv in March 2014 when the winds over the sea are weaker. The LLWBCs are associated with distinct water mass properties across the Solomon Sea that can be tracked along their pathways, and undergo significant modifications between the southern entrance and the northern exits of the sea. Below 2000 m, the Upper Circumpolar Deep Water (UCDW) has been traced from the New Caledonia Trench and the South Fiji Basin into the Solomon Sea, associ- ated with a volume transport of 2-3 ± 2 Sv. Preliminary analyses of the mooring array in each major exit channel indicate large time variability of the LLWBCs in both =intensity and vertical extent, where thermocline pathways vary in most cases, coherently and in phase at intraseasonal to seasonal time scales.

Les dorsales océaniques sont caractérisées par une sismicité de faible magnitude, induite par une succession d’épisodes volcaniques et tectoniques. Le déploiement de réseaux d’hydrophones autonomes le long de grandes sections de dorsales permet d’enregistrer cette sismicité peu détectable par les stations terrestres. Dans l’océan Atlantique Nord, de nombreuses expériences hydroacoustiques ont été conduites depuis 1999, donnant accès à des séries d’observations temporelles sur plusieurs années. La présente thèse s’inscrit dans ce contexte, avec l’acquisition et le traitement de nouvelles données. L’analyse de catalogues télésismiques et hydroacoustiques, couplés à des données bathymétriques et gravimétriques, a contribué à la caractérisation des processus d’accrétion actifs le long de la dorsale médio-Atlantique Nord. Les travaux réalisés lors de cette thèse ont permis de : (1) rechercher des paramètres responsables d’une différence de sismicité entre des groupes de segments de la dorsale médio-Atlantique ; (2) proposer une nouvelle limite sud d’influence du point chaud des Açores ; (3) identifier et caractériser différents types de processus d’accrétion à partir de la recherche de crises sismiques ; (4) mettre en évidence une crise magmatique de grande ampleur et une intrusion magmatique à travers une discontinuité non-transformante ; et (5) proposer un schéma de répartition des processus d’accrétion dominants le long de l’axe de la dorsale médio-Atlantique Nord, à partir d’une analyse spatiotemporelle de la sismicité. L’ensemble de ces résultats montre l’importance des catalogues de sismicité à grande étendue spatiale et temporelle pour approfondir notre connaissance : sur la dynamique des segments de dorsale et les interactions entre l’axe de la dorsale et le point chaud, et d’autre part, sur la récurrence des processus d’accrétion. / The mid-ocean ridge is caracterised by a seismicity of low magnitude generated by multiple volcanic and tectonic episodes. Autonomous hydrophones arrays along large ridge sections are efficient to record low seismicity contrary to landbased stations. In the northern Atlantic Ocean, several hydroacoustic experiments have been realised since 1999 that supply long term records.This thesis is based on the acquisition and the treatment of new data. The analysis of teleseismic and hydroacoustic catalogues combined with bathymetric and gravimetric data, have contributed to the characterisation of accretionary processes along the northern Mid-Atlantic Ridge. This PhD work allowed : (1) to research parameters responsable of a seismicity difference between groups of Mid-Atlantic Ridge segments; (2) to propose a new southern limit of the Azores hotspot influence ; (3) to identify and define different types of seafloor spreading processes based on seismic crisis interpretations ; (4) to highlight a large magmatic crisis and a magmatic intrusion across a non-transform discontinuity ; and (5) to propose dominant seafloor spreading processes from a spatio-temporal seismicity analysis along the northern Mid-Atlantic Ridge. The entire study shows the value of large spatial and temporal seismicity catalogues to broaden our knowledge on : the dynamic of the ridge segments, the interactions between the ridge axis and the hotspot and the recurrence of the seafloor spreading processes.

Cette étude vise à estimer l'impact des échelles dynamiques, allant de la grande à la sub-mésoéchelle, sur la structure et le fonctionnement de l'écosystème planctonique, en s'appuyant sur la modélisation. Elle se situe en Atlantique Nord-Est dans le cadre du programme POMME. Une première partie étudie le cycle saisonnier de l'écosystème à partir d'une configuration 1D. En moyenne, le modèle montre un cycle annuel marqué, avec des flux de régénération importants, contraint par l'évolution de la profondeur de couche de mélange (MLD). Le modèle reproduit les variations méridiennes du cycle saisonnier et de l'amplitude des flux liées à la variabilité spatiale de la MLD. Une seconde partie, basée sur une configuration 3D, montre un écosystème contrasté entre les tourbillons à mésoéchelle et les eaux ambiantes. A sub-mésoéchelle, de forts gradients de MLD et de vitesses verticales modifient les apports de nutriments ainsi que la disponibilité en lumière, et donc la production primaire. Les trois échelles considérées ont une influence significative sur la distribution et la production planctonique, influence qui varie au cours du cycle saisonnier.

L'influence de la présence de liquide sur les propriétés sismiques des systèmes partiellement fondus, ici les chambres magmatiques des dorsales océaniques et les panaches mantelliques, est mal contrainte. Cette étude apporte de nouvelles observations sismologiques sur l'anisotropie sismique sous la Polynésie française et les Galápagos. Les mesures du déphasage des ondes SKS et l'analyse de la polarisation des ondes P en Polynésie française montrent la participation de deux contributions: asthénosphérique et lithosphérique. La présence de liquide dans le manteau supérieur sous l'archipel des Galápagos pourrait se traduire par une absence d'anisotropie au centre de l'archipel. Les mesures d'atténuation des ondes ScS multiples confirment l'existence d'une zone plus atténuée au niveau de la Polynésie française que dans le reste du Pacifique sud. En outre, des mesures d'atténuation ont été réalisées dans des gabbronorites partiellement fondues aux fréquences sismiques, entre 500 et 1200°C. Au-dessus de la température de fusion, l'atténuation augmente significativement avec une dépendance plus forte à la fréquence. Il est montré que le mécanisme d'atténuation associé à l'écoulement localisé de liquide pourrait se superposer à un mécanisme d'atténuation associé à une diffusion au niveau des joints de grains. D'autre part, de nouvelles mesures expérimentales de la viscosité de deux silicates basaltiques et d'un silicate andésitique ont été effectuées. Des lois expérimentales de fluage décrivant les variations de viscosité dans une large gamme de températures sont proposées, ainsi que les paramètres thermodynamiques des échantillons analysés.

La grande extension méridienne et la faible profondeur du plateau de Kerguelen en font un obstacle majeur à l'écoulement zonal du Courant Circumpolaire Antarctique (CCA) dans le secteur indien de l'océan austral. Tandis que la majorité du transport du CCA est dévié au nord des îles Kerguelen, le reste (50 x 10 m3 s-1) doit passer plus au sud, probablement par les passages profonds du Fawn Trough (56°S, 77°E, 2650 m) et du Princess Elizabeth Trough (64°S, 82°E, 3650 m). Pourtant, le détail de la circulation autour du plateau est longtemps resté méconnu, en raison des difficultés à récolter des données dans cette région éloignée de toute route commerciale, d'un climat particulièrement rude et de la présence de la banquise recouvrant la moitié du plateau en hiver. L'objectif de cette thèse est d'améliorer notre connaissance de la circulation moyenne autour du plateau de Kerguelen. Pour cela, un large éventail d'outils allant de l'analyse d'observations récentes à l'utilisation de modèles numériques de circulation a été utilisé. Les données obtenues à l'aide d'éléphants de mer instrumentés sont présentées en détail. Une procédure de calibration et de validation de ces profils hydrologiques est proposée. Ce jeu de données, constitué d'un grand nombre de sections à haute résolution spatiale, est ensuite combiné avec d'autres observations plus conventionnelles (in situ et satellites) pour construire un nouveau schéma de circulation dans la région. L'existence d'un courant intense traversant le passage du Fawn Trough est alors mise en évidence. Les observations directes du courant du Fawn Trough pendant la campagne récente TRACK (resp.: Y.-H. Park) confirment l'importance de ce courant, qui concentre plus de 40 x 10 m3 s-1, soit 30 % du transport total du CCA. La connaissance de la circulation développée à partir des observations est ensuite utilisée pour valider une simulation au 1/4° de résolution. A l'aide de tests de sensibilité sur une configuration régionale de l'Océan Indien Sud, l'importance de la bonne représentation des caractéristiques des masses d'eau profonde et de la bathymétrie pour obtenir une simulation réaliste est mise en évidence. Finalement, une analyse dynamique de la simulation est menée, montrant comment la circulation résulte d'une combinaison des effets de la bathymétrie et du vent au travers de la balance de Sverdrup topographique. L'extension méridienne du CCA est maximale dans la région du plateau de Kerguelen, augmentant régionalement le forçage du vent. En permettant le passage de la partie sud du CCA près de la divergence antarctique (entre 60°S et 65°S), où le pompage d'Ekman est très intense, le plateau de Kerguelen pourrait favoriser indirectement l'accélération du CCA.

La diffraction des ondes électromagnétiques par des surfaces rugueuses intéresse de nombreux domaines comme l'Optique, la furtivité, la compatibilité électromagnétique ou bien encore la télédétection. La modélisation de ce phénomène peut se faire soit à l'aide de théories rigoureuses basées sur la résolution des équations de Maxwell, soit avec des théories approchées. Actuellement, le problème tridimensionnel de la diffusion des ondes électromagnétiques par des surfaces rugueuses éclairées sous incidence rasante ne peut pas être résolu de manière satisfaisante par les méthodes rigoureuses. Ces méthodes ne peuvent donc pas être utilisées pour estimer la validité des méthodes approchées pour ce type d'incidence. Afin de résoudre ce problème, de nouvelles équations intégrales de frontière ont été développées. A l'aide du théorème d'extinction et du théorème de réciprocité, le comportement du champ diffracté pour les angles rasants a pu être déterminé. A partir de ces résultats, l'amplitude diffractée a été reformulée afin d'obtenir explicitement le bon comportement du champ pour de tels angles. Une technique de résolution numérique de l'équation intégrale obtenue a été mise en oeuvre pour des surfaces rugueuses infiniment conductrices en polarisation Horizontale. La validation a été menée par comparaison avec des résultats issus du formalisme intégral classique, pour des angles d'incidence raisonnables. La pertinence de quelques méthodes approchées pour des incidences rasantes a été étudiée. Le problème de diffraction par la surface de la mer ne pouvant être résolu de manière rigoureuse pour des vents supérieurs à 4m/s, l'étude s'est portée sur les modèles à deux échelles et les fonctions d'ombrage. Nous montrons que ces dernières ne sont pas adaptées à la surface océanique. Enfin, en comparant un modèle à deux échelles, combinant l'Optique géométrique et l'approximation des faibles pentes, aux données expérimentales de Nathanson, nous avons montré que les phénomènes hydrodynamiques comme le déferlement augmentent de manière significative l'énergie rétro-diffusée dans les angles rasants.

Cette étude concerne la mise en euvre de méthodes numériques d'optimisation de type contrôle optimal appliquées à un problème d'assimilation de données en océanographie. Il s'agit d'étudier la faisabilité de la méthode dans un problème de grande taille et dans un modèle turbulent, caractéristique des circulations océaniques aux latitudes moyennes. Le modèle de circulation utilisé est un modèle quasi-géostrophique stratifié en plusieurs couches. Les données à assimiler sont les mesures altimétriques satellitaires (hauteur de la surface libre de l'océan). Elles se trouvent uniquement sur la couche de surface. Le vecteur de contrôle est choisi comme étant la condition initiale du système dynamique sur toutes les couches. Sur le plan théorique, sont étudiés : - l'existence et l'unicité de la solution de l'équation linéarisée ; - l'existence et l'unicité de l'état adjoint ; - la convergence de la méthode de contrôle par des suites minimisantes. Nous étudions ensuite la qualité de l'identification des circulations en profondeur en connaissant les informations de surface. Nous abordons aussi les différentes stratégies d'assimilation en temps (séquentielle, incrémentale, ...). Une étude au second ordre de la fonctionnelle permet d'estimer l'erreur de l'identification et de quantifier la propagation des informations de surface en profondeur. Un test de la validation croisée généralisée sur notre problème pour déterminer le coefficient de régularisation est fait grâce à cette étude au second ordre.

La dynamique de la circulation marine en région côtière peut être appréhendée par des moyens d'observation et de modélisation. Si le domaine côtier bénéficie de réseaux de mesure adaptés en résolution et en couverture, la mise en oeuvre d'un outil de modélisation s'avère délicate, particulièrement dans la spécification de conditions initiales et de conditions aux frontières ouvertes appropriées. Cette question de l'estimation des conditions aux limites peut être considérée comme relevant d'une problématique plus générale de détermination des paramètres de fonctionnement d'un modèle à partir de l'information apportée par les observations. Ainsi posé, le problème est abordé par l'outil mathématique du contrôle optimal qui conduit à une opération d'assimilation de données par méthode d'adjoint. L'adaptation et l'application de cette formulation inverse à un problème de modélisation océanographique contrôlé par ses conditions frontières font l'objet de ce travail de thèse. Une approche 4D-variationnelle d'assimilation pour le contrôle des conditions frontières est ainsi développée et implémentée sur la base du modèle aux équations primitives OPA (version 'toit rigide') et de son adjoint existant. L'algorithme d'inversion est validé sur trois expériences d'identification: (i) les perturbations du forçage barotrope sur la frontière ouverte d'un modèle non stratifié sont détectées par l'assimilation de courants de surface pris à l'intérieur du domaine; (ii) le développement d'un courant de densité dans un canal semi infini et homogène est retrouvé à partir de profils hydrologiques distribués en aval; (iii) l'observation du " spin up " d'une circulation de plateau induit par un courant côtier permet d'identifier les conditions amonts prévues par le mécanisme de séparation d'un front de Kelvin barocline en incidence sur un talus. Cette méthode d'assimilation est alors proposée pour des applications s'inscrivant dans la problématique scientifique des échanges côte - large sur la zone du Golfe du Lion. Riche en observations et largement ouverte sur le bassin méditerranéen occidental, cette région est soumise à l'influence du courant Liguro-Provençal qui s'écoule en bord de plateau. L'algorithme d'inversion permet de contrôler cette influence régionale sur la circulation de plateau; il est donc évalué à travers des expériences réalistes menées dans le mode diagnostique. En particulier, la faculté de réseaux d'observation à détecter des épisodes d'intrusion du courant côtier sur le golfe est traitée suivant leur couverture spatiale et temporelle.