Malgré l'amélioration constante des modèles de prévision opérationnelle, certains événements demeurent difficilement prévisibles, même à courte échéance. Dans ces cas, la qualité de la prévision dépend fortement de celle des conditions initiales qui lui sont fournies. Dans ce contexte, il apparaît essentiel d'améliorer des méthodes existantes et d'en développer de nouvelles afin de prendre au mieux en compte les incertitudes liées aux conditions initiales, en particulier pour la prévision d'événements intenses tels que les fortes pluies qui touchent régulièrement le bassin Méditerranéen. L'impact d'incertitudes aux conditions initiales sur la prévision de la dite “supertempête” d'Alger (novembre 2001) a été examiné au travers de simulations haute résolution réalisées avec le modèle Méso-NH. Ce cas était caractérisé par la présence d'un profond thalweg d'altitude associé à une cyclogenèse intense. Il a été montré qu'une faible perturbation initiale de la profondeur du thalweg d'altitude (et de l'intensité de l'anomalie positive de tourbillon potentiel associée) pouvait se propager et s'intensifier durant la simulation, impactant alors la prévision du cyclone de surface. Une étude détaillée des conditions de développement de la convection profonde dans chaque expérience a montré que les perturbations de petites échelles observées sur les champs de précipitations étaient directement liées à la prévision du cyclone et donc aux perturbations initiales. Dans une seconde partie, l'influence de corrections de tourbillon potentiel sur la prévision du même cas d'étude a été examinée. A l'aide du modèle opérationnel Français ARPEGE, nous avons montré que la prévision démarrant de l'analyse opérationnelle du 9 novembre 2001 à 1200 UTC n'était pas capable de reproduire le cycle de vie et le creusement de la dépression de surface. Des corrections locales de tourbillon potentiel guidées par des observations satellites issues du canal vapeur d'eau de Meteosat 7 ont conduit à une amélioration significative de la prévision du minimum dépressionnaire et des précipitations associées. A l'aide de simulations très haute résolution (2 km) Méso-NH et de l'utilisation de l'approche dite modèle-vers-satellite, nous avons montré que l'impact des modifications initiales était particulièrement positif lors des périodes de forte activité convective précédent celles de précipitations intenses.

La thèse s'inscrit dans le thème "Mécanismes des précipitations orographiques" de MAP (Mesoscale Alpine Programme). Elle étudie le déclenchement et l'intensification des précipitations sur un relief exposé à un flux humide quasi-stationnaire, et examine le problème de la prévision numérique des fortes précipitations à l'échelle de quelques kilomètres. Un flux de sud à sud-ouest quasi-stationnaire caractérise la plupart des épisodes de pluies diluviennes sur les Alpes à l'automne, où de l'air méditerranéen est advecté vers le relief. Le cas de la POI (Période d'Observation Intensive) 2B de MAP est simulé avec le modèle MesoNH. Une méthode d'analyse lagrangiennne originale permet d'identifier une masse d'air sec d'échelle méso-béta sur la Méditerranée, et d'étudier son évolution et son influence sur la répartition des précipitations sur les Alpes. Les fortes précipitations sur les versants sud des Alpes sont étudiées grâce à des simulations idéalisées, où l'écoulement incident de sud ou sud-ouest est rendu uniforme et stationnaire. Les distributions obtenues, proches des données climatologiques, indiquent que les zones les plus arrosées correspondent à un forçage orographique du flux incident plus prononcé. Enfin, ces simulations permettent, à haute résolution et avec une microphysique explicite, l'identification de mécanismes de déclenchement et de développement de la convection spécifiques à la région sud-alpine - dont certains ont pu être observés pendant MAP. Ils se révèlent très complexes malgré la simplification des conditions en amont.

L'évolution libre des fluides géostrophiques turbulents bidimensionnels fait apparaitre des tourbillons présentant une grande cohérence spatio-temporelle. Les écoulements atmosphériques tridimensionnels présentent également ce genre de structures cohérentes, notamment dans les champs de tourbillon potentiel. Certains aspects de la cyclogenèse semblent gouvernés, ou très sensibles, à la position et à l'intensité de ces anomalies. Les images des satellites géostationnaires permettent par ailleurs de visualiser les signatures de ces phénomènes, appelées intrusions sèches. Une première partie du travail adapte des outils de traitement d'image à la détection et au suivi des intrusions sèches sur les images vapeur d'eau. On utilise une approche basée sur des multi-seuillages et le suivi automatisé de structures (logiciel RDT). Le développement de caractéristiques supplémentaires s'avère nécessaire afin de sélectionner les intrusions associées à des événements dynamiques importants. L'une d'entre elles utilise l'information sur le courant-jet à partir de vents d'altitude de l'ébauche. Un deuxième volet s'applique à dégager une méthodologie de correction des structures en tourbillon potentiel à partir de ces informations. L'assimilation de données conventionnelle ne permet pas d'initialiser spécifiquement les structures. Nous décrivons les méthodes alternatives et étudions les possibilités, et limitations, d'une méthodologie basée sur l'assimilation de pseudo-observations. Cela débouche en particulier sur une version renouvelée de la relation entre vapeur d'eau et tourbillon potentiel. Les outils développés sont appliqués à la prévision de la tempête des Landes (2006). L'utilisation de données de concentration d'ozone est finalement évoquée comme une méthode alternative d'initialisation du tourbillon potentiel à la tropopause

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.

L’évolution libre des fluides géostrophiques turbulents bidimensionnels fait apparaitre des tourbillons présentant une grande cohérence spatio-temporelle. Les écoulements atmosphériques tridimensionnels présentent également ce genre de structures cohérentes, notamment dans les champs de tourbillon potentiel. Certains aspects de la cyclogenèse semblent gouvernés, ou très sensibles, à la position et à l’intensité de ces anomalies. Les images des satellites géostationnaires permettent par ailleurs de visualiser les signatures de ces phénomènes, appelées intrusions sèches. Une première partie du travail adapte des outils de traitement d’image à la détection et au suivi des intrusions sèches sur les images vapeur d’eau. On utilise une approche basée sur des multi-seuillages et le suivi automatisé de structures (logiciel RDT). Le développement de caractéristiques supplémentaires s’avère nécessaire afin de sélectionner les intrusions associées à des événements dynamiques importants. L’une d’entre elles utilise l’information sur le courant-jet à partir de vents d’altitude de l’ébauche. Un deuxième volet s’applique à dégager une méthodologie de correction des structures en tourbillon potentiel à partir de ces informations. L’assimilation de données conventionnelle ne permet pas d’initialiser spécifiquement les structures. Nous décrivons les méthodes alternatives et étudions les possibilités, et limitations, d’une méthodologie basée sur l’assimilation de pseudo-observations. Cela débouche en particulier sur une version renouvelée de la relation entre vapeur d’eau et tourbillon potentiel. Les outils développés sont appliqués à la prévision de la tempête des Landes (2006). L’utilisation de données de concentration d’ozone est finalement évoquée comme une méthode alternative d’initialisation du tourbillon potentiel à la tropopause / Isolated vortices have been shown to emerge in two-dimensional and geostrophic turbulent flows. Coherent structures are apparent in three-dimensional atmospheric flows as well, and may share the property to determine the non-linear evolution and the predictability of the flow. Potential vorticity anomalies have indeed been shown to be of primary importance for cyclogenesis of mid-latitude storms. Their signature can be detected in satellite water vapour images and are known as dry intrusions. The first part of this work proceeds the tracking of dry intrusions on images. We use image processing tools based on thresholding algorithm, and develop additional filters to select relevant cells. One of this filters uses dynamical information on the jet from the background upper-level wind. We highlight the fact that conventional data assimilation does not handle coherent structures, and describe alternative procedures. We focus then on the assimilation of bogussed potential vorticity observations. This leads to a new vision of the relationship between water vapour and potential vorticity. The case study of the storms that has affected the Landes region in 2006 is then presented. We finally pinpoint ozone data as an alternative way to improve the initialization of upper-level potential vorticity

La prévision d'intensité des cyclones tropicaux est un enjeu opérationnel majeur qui connaît encore de graves déficiences. Cette thèse vise à mieux comprendre les mécanismes d'intensification cyclonique en lien avec un thalweg d'altitude originaire des moyennes latitudes et à mettre en évidence le rôle des conditions initiales pour la prévision cyclonique. Une première étude climatologique définit un seuil objectif pour l'intensification rapide des cyclones dans le Sud-Ouest de l'océan Indien, caractérise la localisation et la fréquence des interactions cyclone-thalweg, tout en identifiant les configurations propices à l'intensification. Le cas de Dora (2007) est identifié pour simuler l'interaction grâce à un modèle numérique en assimilant les caractéristiques du cyclone dans une analyse globale. L'interaction cyclone-thalweg simulée est particulièrement complexe. Dans un premier temps, du tourbillon potentiel provenant du thalweg se superpose au coeur du cyclone en moyenne et en haute troposphère. Ensuite, un forçage dynamique induit une accélération de la circulation cyclonique tangentielle dans une région extérieure au mur de l'oeil principal, provoquant un cycle de remplacement du mur de l'oeil. Le modèle simule correctement les différentes phases d'intensification du cyclone, ce qui permet de relier l'intensification aux effets du thalweg sur le cyclone. Une deuxième étude numérique dans le Pacifique Nord-Ouest met en évidence le rôle de la structure initiale d'un cyclone sur la prévision de trajectoire et d'intensité. La prévision cyclonique future progressera en affinant la structure du coeur cyclonique spécifiée dans l'état initial de la prévision.

Dans un contexte international, la prévision d'intensité des cyclones tropicaux connaît encore de graves déficiences tandis que la prévision de trajectoire de ces phénomènes météorologiques extrêmes s'est grandement améliorée ces dernières décennies. Une source d'erreur pour la prévision d'intensité est le manque de connaissance des processus physiques qui régissent l'évolution de la structure et de l'intensité des cyclones. Cette thèse, proposée dans le cadre des responsabilités du Centre Météorologique Régional Spécialisé (CMRS) de la Réunion et des axes de recherche du LACy et du CNRM, a pour but d'améliorer la prévision numérique et la compréhension des mécanismes de changement de structure et d'intensité des cyclones dans le sud-ouest de l'océan Indien. On observe statistiquement dans le bassin de fréquents déferlements d'ondes de Rossby qui correspondent à une intrusion des talwegs d'altitude depuis les moyennes latitudes vers les régions où évoluent les cyclones. Ces déferlements advectent dans la troposphère tropicale de l'air d'origine stratosphérique à fort tourbillon potentiel (PV). Le cœur d'un cyclone tropical étant caractérisé par un vortex cyclonique de fort PV, il est donc légitime de se demander si de tels talwegs sont capables de « nourrir » un cyclone en déferlant jusqu'à lui, et l'intensifier par superposition de PV. D'un autre côté, l'approche d'un talweg est associée à d'autres facteurs pouvant jouer en défaveur d'une intensification, comme un fort cisaillement vertical de vent. L'étude de processus est réalisée sur le cyclone Dora (2007) avec le modèle opérationnel du CMRS sur le bassin, Aladin-Réunion. Ce modèle hydrostatique à aire limitée bénéficie d'une résolution horizontale de 8 km et de son propre schéma d'assimilation 3Dvar avec bogus de vent. Un tel bogus permet d'affiner la structure du cyclone à l'instant initial en ajoutant des observations de vent déduites d'un profil analytique et des paramètres de structure du cyclone estimés par les images satellites. Des diagnostiques sur les variables thermodynamiques en sortie de modèle montrent que la phase d'intensification rapide de Dora est bien associée à l'advection de tourbillon potentiel (PV) en provenance du talweg. Bien que fortement cisaillé, le système parvient à s'intensifier grâce à la forte inclinaison du talweg qui advecte du PV au cœur du cyclone en 2 temps et à 2 niveaux (haute et moyenne troposphère). Lorsque le talweg est au plus proche du cyclone, il force un processus dynamique interne appelé « cycle de remplacement du mur de l'œil ». On observe une inclinaison et un renforcement des vitesses verticales à l'extérieur du mur de l'œil principal, associé à une accélération de la circulation cyclonique tangentielle par advection de moment angulaire sur toute l'épaisseur de la troposphère dans cette zone annulaire (mis en évidence par les flux d'Eliassen-Palm). Un second maximum de vent relatif apparaît alors et une deuxième phase d'intensification rapide s'ensuit avec la contraction du mur secondaire. Le forçage de processus internes par une influence externe (un talweg) semble donc être le moteur de l'intensification rapide de Dora dans un environnement cisaillé, et potentiellement celui d'autres cyclones dans le bassin qui sont approchés par des talwegs d'altitude. Les prévisionnistes du CMRS sont invités à surveiller les champs de PV de tels systèmes, en attendant que de plus amples diagnostiques soient réalisés avec l'outil d'inversion du tourbillon potentiel développé sur le modèle global Arpège. / Despite significant improvements in Tropical Cyclone (TC) track forecasts over the past few decades, anticipating the sudden intensity changes of TCs remains a major operational issue. The main purpose of this thesis is to analyze TC rapid intensification processes in relation with external forcing induced by upper-level troughs originating from the mid-latitudes. The impact of initial storm structure on storm evolution and prediction is also documented. An objective definition for rapid intensification in the southwest Indian Ocean is first proposed. The location and frequency of TC-trough interactions are identified, as well as TC-trough arrangements conducive to TC intensification. An interesting study case, TC Dora (2007), is chosen to run numerical simulations initialized with synthetic TC observations blended in a global analysis. The simulated TC-trough interaction is intricate with potential vorticity (PV) advection from the trough into the TC core at mid and upper levels. Vortex intensification first occurs inside the eyewall and results from PV superposition. Further intensification is associated with a subsequent secondary eyewall formation triggered by external forcing from the trough. The numerical model is able to reproduce the main features associated with outer eyewall spin-up, inner eyewall spin-down, and their effects on vortex intensity changes. Another numerical study examines typhoons in the northwest Pacific and demonstrates the critical role played by initial vortex structure in TC track and intensity prediction. Upgrading the initial specification of a TC inner-core structure in numerical models is recommended for future TC prediction improvements.