L'environnement côtier de l'île de Mayotte (nord du canal du Mozambique, océan Indien) se caractérise par l'existence d'un vaste complexe récifo-lagonaire au sein duquel se développe un littoral particulièrement diversifié et marqué par la présence de nombreuses mangroves. Plusieurs campagnes de mesures hydrodynamiques et d'observations morphologiques ont été effectuées afin d'apporter des éléments de compréhension sur l'évolution et le fonctionnement morphodynamique de ce type de littoral mixte à mangroves et récifs coralliens. Les observations de terrain conjuguées à une analyse diachronique de photographies aériennes ont permis de montrer le caractère très variable de la dynamique des mangroves avec une progression ou une stabilité au nord et à l'est de l'île, et inversement, une évolution nettement régressive au sud et à l'ouest. Les mesures hydrodynamiques ont donné lieu à une analyse des paramètres de houle et de courant en se focalisant sur leurs variabilités spatiales et temporelles. Les résultats obtenus montrent l'importance de l'architecture récifale sur les processus hydrosédimentaires et le développement des formes littorales. L'évolution et la dynamique des mangroves de Mayotte apparaissent ainsi fortement influencées par les caractéristiques morphologiques des structures récifales amont qui engendrent une plus forte vulnérabilité des mangroves du sud et de l'ouest face à une déstabilisation naturelle ou anthropique. La disparition des formations végétales des mangroves du sud et de l'ouest de l'île entraine une réorganisation des répartitions sédimentaires et la mise en place de nouveaux systèmes de fonctionnement morphodynamique. L'ampleur des phénomènes constatés a montré la nécessité de mettre en place un observatoire opérationnel de surveillance de la dynamique côtière. Cet outil, basé sur un réseau de mesures et d'observations de terrain et sur la réalisation d'un Système d'Information Géographique (SIG), a pour but de favoriser le suivi et l'évaluation de l'état du littoral. Dans un contexte local de fort développement et dans celui, plus global, de mutations environnementales, cet outil de surveillance et d'analyse permet une meilleure compréhension de la morphodynamique des côtes mahoraises et apporte une aide à la décision et à la gouvernance afin d'orienter les politiques de gestion de ce milieu fragile, à forts enjeux et en constante évolution.

L'étude de la houle multi-directionnelle fait partie des objectifs prioritaires du Laboratoire de Mécanique des Fluides, récemment doté d'un bassin de houle de grandes dimensions. Pour exploiter au mieux ces nouvelles capacités, l'objectif de cette thèse est d'acquérir des compétences concernant autant la génération des vagues directionnelles et l'analyse des mesures que la compréhension fine des phénomènes non linéaires associés à la houle.<br />Pour aider à la compréhension et à la maîtrise des effets non linéaires, deux modèles numériques reproduisant dans le domaine temporel toutes les fonctionnalités du bassin sont développés et validés (générateur de type serpent, murs latéraux, plage absorbante, profondeur finie). Ces modèles sont basés sur une méthode spectrale de résolution des équations potentielles. Le premier modèle est développé au second ordre en série de perturbation ; le second en non linéaire complet (approximation HOS).<br />Les techniques de génération existantes s'appuyant sur la réflexion sur les murs latéraux pour agrandir la zone de mesure utile sont employées dans les bassins numériques et expérimental. Le développement d'une solution analytique fréquentielle de la génération au second ordre permet de corriger le mouvement batteur en supprimant les ondes libres parasites dues aux non-linéarités.<br />Le problème de la reproduction déterministe de séquences de houle est abordé à travers l'étude des paquets de vagues focalisés. En 2D, un modèle partiel au troisième ordre estime les vitesses de phase non linéaires nécessaires à la prédiction correcte du mouvement batteur. En 3D, un modèle linéaire est employé pour traiter de la directionnalité.

Parmi l'ensemble des différentes parties composant une digue à talus maritime, la carapace représente l'élément clé de la stabilité de la structure. Elle se compose soit d'enrochements naturels soit de blocs artificiels en béton lorsque l'intensité de la houle requiert des poids d' éléments naturels que les carrières disponibles ne sont pas en mesure de fournir. Le developpement des blocs artificiels performants a fait l'objet de multiples travaux de la part de chercheurs du monde entier. Il s'agissait principalement de proposer des formes optimisées conduisant a une grande stabilité hydraulique autorisant par l a de faibles consommations de béton et donc des économies substantielles. L'objective principale de ces travaux de recherche est de mettre au point de nouveaux blocs artificiels de protection des digues a talus soumis a l'action des houles. Le travail contribuera à développer des méthodes d'optimisation des formes des blocs. Les enseignements recueillis à l'issue de la thèse doivent permettre de proposer des formes plus performances que celles aujourd'hui disponibles sur le marche. L'analyse de la performance de ce bloc sur modèle réduit nous apporte des résultats satisfaisants en termes de stabilité, malgré le franchissement restant à améliorer. Une étude approfondie, d'une part sur la cinématique de l' écoulement proche de la carapace et d'autre part les efforts subis par le bloc, nous permet de proposer une nouvelle formulation de la vitesse longitudinale liée au run-up. L'influence du caractère de l'onde (déferlement, claque) est déterminante pour les coêfficients hydrodynamiques.

La surface de l'océan, interface entre deux milieux l'un liquide et l'autre gazeux, est un lieu d'échange d'énergie dans lequel l'influence du vent est importante. La compréhension des processus d'échanges est un enjeu important pour appréhender la dynamique et le couplage des deux milieux. Lors du transfert d'énergie mécanique du vent vers les vagues, une partie de l'énergie participe à l'amplification des vagues, via la traînée de forme, une autre contribue au courant de dérive, via la traînée visqueuse. Une étude expérimentale a été menée afin de déterminer la répartition de cette énergie entre ces deux traînées pour différentes conditions de vent et de vagues. La détermination de la traînée de forme passe par la mesure de la pression statique au plus près de la surface et celle de la traînée visqueuse par la mesure de la vitesse de l'écoulement de l'air dans la sous-couche visqueuse. Des dispositifs expérimentaux originaux ont été développés dans cette optique. Une sonde de pression constituée d'une antenne de pression de type Elliot et d'un capteur miniature inséré au plus près du point de mesure permet de donner une description détaillée des champs de pression dans la couche limite turbulente. Un dispositif "suiveur à vagues" asservi à une sonde à vagues, permet de réaliser les mesures au plus près de la surface notamment dans le creux des vagues. Enfin, un dispositif « plongeur » permet de faire transiter une sonde de vitesse dans la sous-couche visqueuse de l'air afin de déterminer les contraintes de cisaillement au niveau de la surface. Ces mesures permettent d'obtenir une description fine de la structure locale de l'écoulement de l'air dans les zones toutes proches de la surface marine. Ainsi, nous montrons que la contribution de la tension visqueuse à la tension totale est une fonction décroissante du vent et de la cambrure de l'onde dominante. On montre également que la tension visqueuse n'est pas constante le long du profil de la vague mais présente des modulations, fonction de la phase de la vague, qui s'amplifient avec la cambrure de la vague. Par ailleurs, l'étude des champs de pression met en défaut les méthodes classiques de mesure de la traînée de forme qui consiste à extrapoler le profil vertical des corrélations Pression-Pente à l'altitude de l'eau au repos. L'expression analytique du flux de quantité de mouvement de l'air à l'eau écrite dans un repère mobile permet d'identifier les diverses composantes qu'on peut relier à la traînée totale à la surface. Une étude comparative de la mesure des flux du vent vers les vagues via la méthode Inertio-Dissipative et la méthode directe montre que les résultats divergent à proximité de l'interface. Bien que tous les termes de l'équation bilan de l'énergie cinétique de la turbulence ne puissent être déterminés expérimentalement, on montre que des termes supv plémentaires apparaissent lorsque les mesures sont réalisées sur un support mobile lié aux déplacements de l'interface. Une approche expérimentale montre que la durée de vie de vagues scélérates générées par focalisation spatio-temporelle est significativement augmentée en présence de vent. Une forte asymétrie est effectivement observée entre les phases de focalisation et de défocalisation. L'étude des interactions entre le vent et le groupe focalisant met en évidence que ce phénomène est en partie dû au mécanisme de décollement de l'air à la crête de la vague extrême.

Les travaux consignés dans cette thèse concernent un système endulaire de récupération de l'énergie des vagues en forte puissance (de l'ordre du MW) (SEAREV). Ils ont été menées en vue de la conception optimale de la chaîne électrique de récupération. Dans cet objectif, il a fallu prendre en compte les différents couplages hydrodynamique - mécanique - électrique - contrôle, ceci dans un contexte de sollicitations fluctuantes. Grâce à une collaboration avec le LMF de l'école Centrale de Nantes, nous avons pu disposer des modèles hydrodynamiques adaptés, et ainsi développer une méthodologie de dimensionnement de la chaîne de récupération sur cycles complexes. Différents modes de contrôle du système pendulaire ont été étudiés et comparés, notamment celui à amortissement optimal avec écrêtage de la puissance qui permet un meilleur dimensionnement de la chaîne électrique. Ces travaux ont permis de déterminer les profils de couple et vitesse du pendule et donc de la machine permettant le dimensionnement d'une architecture électromagnétique à flux radial et à aimants permanents en surface. Les résultats sont principalement présentés sous forme de front de Pareto : coût des parties actives / pertes énergétiques sur cycle. Des études de sensibilité de quelques paramètres (machine et ressource) ont été menées et analysées afin de conserver un regard critique sur les résultats.

Pour réaliser des simulations précises aux temps longs pour des vagues non linéaires, il faut faire appel à des algorithmes d'évolution temporelle précis. En particulier, la combinaison d'un pas de temps adaptatif avec un facteur intégrant est connue pour être très efficace. Nous proposons une modification de cette technique. Le principe consiste à soustraire un certain polynôme à une EDP. Puis, comme pour le facteur intégrant, nous faisons un changement de variable pour retirer la partie linéaire. Mais nous espérons retirer quelque chose de plus afin de rendre l'EDP moins raide pour les calculs numériques. Le polynôme choisi est une expansion de Taylor autour du temps initial de la solution. Afin de calculer les différentes dérivées nécessaires, nous utilisons le Dense Output qui donne la possibilité d'approximer les dérivées de la solution à tout temps. Une fois le facteur intégrant modifié appliqué, nous faisons appel à une avance temporelle classique afin de résoudre l'équation d'évolution. Il a été considéré plusieurs schémas de Runge-Kutta avec pas de temps adaptatif. Nous avons tiré avantage des méthodes emboîtées, afin de ne pas calculer de nouvelles fonctions et perdre du temps de calcul, en utilisant uniquement des données déjà calculées durant l'évolution temporelle. Les résultats numériques montrent que l'efficacité de notre méthode varie selon les cas. Par exemple, nous avons vérifié que plus le profil de l'onde est pentue, plus notre méthode est efficace. Pour le modèle de vagues non linéaires le plus compliqué à notre disposition, le modèle HOS, nous avons pu réduire le nombre de pas de temps de calcul jusqu'à près de 30 % avec un schéma de Runge-Kutta de Dormand-Prince et jusqu'à plus de 99 % pour un schéma de Bogacki-Shampine.

De nos jours, les images de synthèse sont omniprésentes dans notre quotidien. Le réalisme de ces images est grandissant, surprenant, et il n'est souvent pas aisé de distinguer la réalité de la virtualité, cette réalité faite et enrichie par toute la complexité des phénomènes naturels qui nous entourent. L'eau est un de ces phénomènes dont la variété et la richesse dynamique rend la représentation complexe. Nous nous intéressons dans cette thèse 'a sa forme la plus étendue, celle des océans, qui font partie intégrante de nos paysages. Dans un premier temps, nous étudions les méthodes permettant la simulation et le rendu de l'océan à la fois dans le domaine physique mais aussi dans le domaine de la synthèse d'images réalistes. Dans le second chapitre, nous proposons une nouvelle méthode de rendu unifiée permettant une visualisation plus rapide de l'océan au large et permettant d'approximer les échanges lumineux surfaciques et sous-surfaciques, l'écume et les phénomènes d' éblouissements. Dans le chapitre 3, nous nous intéressons au déferlement des vagues en proposant une nouvelle approche adaptative basée physique permettant de reproduire ce phénomène et de réduire les temps de calculs imposés par la résolution des équations de la mécanique des fluides en 3D. Dans le quatrième chapitre, nous étendons ce modèle en proposant une approche hiérarchique permettant une plus forte accélération du processus de résolution et d'obtenir une simulation proche de l'interactivité.

La flèche littorale du Cap Ferret s'est édifiée au cours des derniers 3 000 ans, à la faveur du ralentissement de l'élévation du niveau global des océans. Depuis 250 ans, les cartes marines révèlent une importante instabilité de l'extrémité libre de la flèche, à laquelle les travaux présentés dans ce mémoire tentent d'apporter une explication physique. Dans un premier temps le croisement des données cartographiques avec des données environnementales révèle la synchronisation des déplacements de la flèche avec d'une part l'Oscillation Nord Atlantique (NAO), et, d'autre part, les structuations décennales à multidécennales de la vitesse de l'élévation du niveau de l'Atlantique Nord-est. Les processus sous-jacents à cette synchronisation sont alors détaillés avec un modèle numérique de transport sédimentaire. Puis, l'érosion chronique de la flèche entre 1986 et 2016, ainsi que les mécanismes d'évolution de la plage océanique de la Pointe du Cap Ferret sont décrits et quantifiés à l'aide de données topographiques. A l'échelle locale, ces résultats apportent des preuves tangibles du rôle du climat dans l'érosion actuelle de la Pointe du Cap Ferret. D'un point de vue plus général, ces travaux contribuent à la meilleure description des processus contrôlant l'évolution des systèmes de barrières holocènes, dans le contexte actuel d'accélération de l'élévation du niveau de la mer. / Low rates of global sea level rise have allowed the Cap Ferret coastal barrier-spit to develop since about 3 000 years ago. Over the last 250 years, navigation charts attest of a significant instability of the distal end of the spit, to which the present study aims to provide a physical explanation. First, the crossing of cartographic data with meteoceanic data reveals a strong relationship of the spit-end behaviour with, on the one hand, the North Atlantic Oscillation (NAO), and, on the other hand, decadal to multidecadal variations in the rate of sea level rise in the Northeast Atlantic. Underlying processes were then investigated using a numerical model for sediment transport. Finally, the chronic erosion of the spit between 1986 and 2016, as well as the evolution mechanisms of the oceanic beach of the spit-end are described and quantified by means of topographic data. Locally, these results support the role of climate in the ongoing erosion of the spit-end. From a wider perspective, this study brings new insigths on the processes controling the evolution of Holocene barrier systems, in the present context of an accelerating sea level rise.

La connaissance de la climatologie des états de mer est primordiale pour le dimensionnement de structures marines, la gestion des zones côtières ou encore la récupération de l’énergie des vagues. L'estimation de la climatologie nécessite de disposer de données d'observation sur une longue durée, ce qui n'est pas le cas de l'Afrique de l'Ouest. Pour dépasser les limites en durée imposées par les observations, nous proposons dans ces travaux une approche stochastique pour estimer une climatologie de vagues en Afrique de l’Ouest, en s’appuyant sur une représentation “par événements” des données d’états de mer. Un “événement” désigne un système de vagues (houle ou mer du vent) en évolution au cours du temps, observable pendant une durée significative et que l’on peut relier à un unique phénomène météorologique source (e.g. dépressions, tempêtes, etc.). La représentation par événements permet de reproduire la cohérence temporelle des systèmes de vagues et de structurer les données d'états de mer avec une base physique. La démarche adoptée peut se décomposer suivant trois étapes. Nous avons d'abord extrait les événements à partir d’une série temporelle de spectres directionnels d’états de mer. Nous avons ensuite développé un modèle pour représenter chacun des événements par un nombre réduit de paramètres. Enfin, nous avons construit un générateur stochastique permettant la simulation d’événements individuels et la reconstitution de climatologies sur des durées de longueurs arbitraires. Les résultats ont montré un bon accord entre la climatologie reconstituée et celle de référence, permettant de conclure que le générateur peut valablement servir à la simulation de données d’états de mer en Afrique de l’Ouest pour les applications en génie océanique. / Accurate estimation of long-term sea conditions is a major issue in design of coastal and offshore structures, coastal zone management or wave energy harvesting. An estimation of long-term sea conditions requires long duration observational data while in West Africa, only a few (3 years) years of observational data are available. To overcome the limits in duration that observations impose, a stochastic approach, event-based representation of sea state data, is proposed to model the wave climate in West Africa. An “event” refers to a wave system (swell or wind sea) evolving over time, that can be observed for a finite, yet significant duration and that can be linked to a single meteorological source phenomenon (e.g. low pressure systems, storms, etc.). Event-based approach provides structures with physical meaning and temporal consistence for the representation of sea states data. The procedure we have used is decomposed into three following steps. First, we have extracted events from a time series of directional spectra. We have then developed a model to represent each event by a reduced number of parameters. In the last step, we have constructed the stochastic events generator which allows for simulation of individual events and for reconstruction of wave climate over durations of arbitrary lengths. Results showed good agreement between reconstructed climate and that of reference and allow to conclude that the stochastic events generator can reliably be used to simulate sea state data in West Africa for a ocean engineering applications.

Les blocs supratidaux de tempête que l’on trouve au sommet des falaises vont à l’encontre du schéma classique qui décrit l’érosion des falaises. Généralement, le recul des escarpements rocheux se fait au rythme des écroulements gravitaires dont les éléments s’accumulent en pied de falaise, la mer intervenant surtout dans le déblaiement des matériaux accumulés à la base des versants. Dans le cadre de cette thèse, nous étudions les processus d’érosion qui se traduisent par l’accumulation de dépôts grossiers en sommet de falaise. Nous montrons qu’au cours des événements météo-océaniques extrêmes, les effets combinés d’un niveau d’eau à la côte particulièrement élevé et du déferlement de vagues de haute énergie peuvent se manifester localement par l’arrachement et le transport de blocs littoraux supratidaux. Leur masse peut dépasser plusieurs dizaines de tonnes, et leur remaniement peut se faire à plusieurs mètres au-dessus du niveau des hautes mers. De même, leur déplacement peut atteindre plusieurs dizaines à centaines de mètres à l’intérieur des terres. A l’heure où l’on s’interroge sur une possible intensification et/ou augmentation de la fréquence des événements météoocéaniques extrêmes, la dynamique morphosédimentaire de ces blocs littoraux apparait comme un indicateur géomorphologique pertinent pour l’évaluation de ces changements. Un suivi topo-morphologique, sédimentaire et hydrodynamique pluriannuel a été réalisé sur plusieurs sites bretons (Finistère) et islandais (presqu’île de Reykjanes). Les résultats de ce suivi ont montré des schémas de circulation hydro-sédimentaire bien distincts suivant le contexte morphodynamique. Si dans certains cas, les processus transversaux prédominent dans l’édification et le remaniement de ces accumulations, dans d’autres cas, la composante longitudinale contrôle une partie des transferts à la côte. Les processus d’arrachement et de transport de blocs sont concomitants, et peuvent se produire à plusieurs reprises au cours d’un même événement et/ou hiver, y compris pendant les tempêtes d’intensité modérée. L’étude rétrospective des conditions météo-océaniques favorables au déclenchement de ces processus sur les 70 dernières années montre une forte variabilité interannuelle, sans périodicité ni tendance particulière. Cette variabilité est commandée par la dynamique atmosphérique WEPA aux latitudes tempérées de la Bretagne, et par l’ONA aux latitudes sub-polaires de l’Islande. / Cliff-top storm deposits (CTSDs) corresponding to boulder accumulations are locally identified along the North–Atlantic coasts (Iceland, Scotland, Ireland, France), where they are defined as one of the most remarkable morphosedimentary storm signature. Their study aims to understand the effects of high energy storm waves on these specific rocky cliffed coasts facing deep–water and exposed to energetic wave–climates. Recent works demonstrated the role of high energy storm waves (instead of tsunami waves) in transporting and supplying in boulders these deposits. In the context of climate change, and the possible intensification and/or increase in frequency of extreme meteo-oceanic events, CTSDs appears as a potential geomorphological indicator for the monitoring of these changes on high-energy rocky coasts. This thesis propose an analysis of their morphosedimentary dynamics based on field observations realized at high (64°N) and medium (48°N) latitude of the Northeast Atlantic basin. In the present work, their morphosedimentary dynamics have been annually surveyed using low altitude aerial photographs. Results shows two different hydrosedimentary circulation patterns of CTSDs. The first one concerns inland boulder transport, corresponding the directions of the incident waves. This pattern confirms the contemporary edification of ridges. The second one concerns longshore or seaward boulder transport, describing a longitudinal drift of this sedimentary material.The processes of quarrying and transport of CTSDs are concomitant and can repeatedly occur during one single event and/or winter, including during regular storms. The retrospective analysis of sea weather forecast favorable to these processes during the last 70 years showed an infraannual frequency with no particular periodicity nor tendency.