La plupart des côtes de la Terre reculent et 80% sont rocheuses. La prévision du recul des falaises littorales est primordiale afin d’anticiper les risques futurs pour les aménagements littoraux. Cependant, la compréhension de ce recul est difficile car de nombreux paramètres le contrôlent. Des expériences en canal à houle de petite échelle ont été effectuées où nous avons mis en place un massif de sable humide soumis à l’attaque des vagues par sapement. Le but est de comprendre comment l’effet des vagues contrôle l’érosion des falaises. La technique de mesure par ombroscopie a été employée et nous a permis de détecter la surface du sable et la surface libre en fonction du temps. Nous avons ainsi analysé l’influence du forçage des vagues (F, ξ) (où F est le flux d’énergie des vagues incidentes au large et ξ est le paramètre de similitude de “surf”) sur la vitesse de recul de la falaise et sur la profondeur des évènements d’effondrement. La vitesse de recul de la falaise augmente linéairement avec le flux d’énergie F. Les débris de falaise érodés changent la morphologie du fond, les types de morphologie du fond dépendent fortement du paramètre de similitude de “surf” au déferlement, ou encore du paramètre de Dean Ω. Des profils du fond instationnaires présentant une oscillation auto-entretenue de la barre sédimentaire ont été observés. Nous avons de plus étudié l’effet de la granulométrie du sable utilisé : pour un sable plus fin, la falaise est plus cohésive et s’effondre au cours d’évènements de plus grande ampleur. Etonnamment, le recul de la falaise est plus important pour du sable fin. Ceci est probablement dû à une modification de la morphologie du fond conduisant à une dissipation de l’énergie des vagues moins importante. Le volume de sable injecté dans le système a finalement été quantifié, la barre sédimentaire a d’abord été prélevée périodiquement et il a été observé que la vitesse de recul de la falaise vr est constante. Puis, la hauteur de falaise a été modifiée, le recul des falaises est plus important pour des petites falaises. Il semblerait que l’instationnarité d’un profil du fond se déclenche à partir d’un volume seuil de sable érodé. / Most of the Earth coasts recedes and 80 % are rocky. Prediction of sea-cliff recession is essential to anticipate future risks for coastal development. However, it is difficult to understand this recession because many parameters control it. In addition, both the space and time scales are too big for the different mechanisms of cliff erosion to be fully analysed. Experiments in a small-scale wave flume were conducted in which a massif made of wet sand is submitted to wave attack. The aim is to understand how cliff erosion is wave-controlled. The technique of shadow graph measurements was used to detect the time evolution of sand and water surfaces. We have analyzed the influence of wave forcing (F, ξ) (where F is the incident offshore wave energy flux and ξ is the surf similarity parameter) on the cliff recession rate and on collapse event size. The cliff recession rate increases linearly with the wave energy flux F. The eroded cliff materials change the bottom morphology ; the types of bottom morphology strongly depend on the surf similarity parameter at the breaker point, or the Dean parameter Ω. Bottom profiles characterized by unsteady self-sustained sandbar oscillation were observed. In addition, we studied how sand granulometry change the system evolution. Finer the sand is, more cohesive is the cliff and bigger are cliff collapses. Contrary to what was expected, cliff recession is more important for a finer sand : this could be due to a more dissipative bottom morphology built by fine sands. The sand volume within the system changes following cliff collapses and a sandbar removal during particular experiments. The cliff recession rate is constant when the sandbar is removed and decreases with cliff height. It seems that the unsteadiness of the bottom profile is activated when the volume of eroded sand exceeds a threshold value.

Cette thèse présente une étude de la dynamique des plages à l'échelle événementielle (ou "échelle des tempêtes"). Même si cette dynamique est essentielle, elle est restée principalement méconnue jusqu'à ce jour du fait du manque d'outils d'observation adaptés à son étude. Les nouvelles possibilités offertes par l'imagerie vidéo, notamment l'observation à haute fréquence, sont très novatrices. Dans cette thèse, un outil vidéo est présenté qui, à partir de la mesure des caractéristiques hydrodynamiques de surface, permet d'estimer avec précision la topographie littorale sur une large zone (km) et à haute fréquence (jour). Ce travail montre que les différentes structures sableuses littorales interagissent et qu'elles ne peuvent pas être étudiées de manière isolée. La dynamique des structures sableuses peut être fortement non-uniforme dans la direction parallèle à la plage, même en conditions de fortes vagues. De plus, la dynamique est cruciale car elle contribue aux transferts de sédiment entre le large et la plage. Dans un système à deux barres, plus que la hauteur des vagues, c'est le marnage qui influence majoritairement la dynamique de la barre intertidale en conditions de tempête. Nos résultats suggèrent qu'une grande part de la variabilité temporelle de la plage se situe à cette échelle court terme. / This thesis presents a study on short term (day to month) beach dynamic. Until the emergence of video systems, and despite its major role, this dynamic remained mainly unknown due to the lack of a suited observation technology. The new possibilities allowed by video imagery, comprising high-frequency observation, are revolutionary. In this thesis, a tool is introduced that, from the measure of nearshore hydrodynamics, estimates accurately nearshore topography for a large area (km) and at high frequency (day). This thesis shows that nearshore sand features interact and cannot be studied in isolation. We show that sand features dynamic can be dominantly non-uniform in the longshore direction, even for large waves. This dynamic is crucial because it contributes to cross-shore sand exchanges. For a double-barred beach, more than wave height, tidal range variations drive inner bar dynamic during stormy conditions. Our results suggest that a large part of the beach temporal variability is short term.

L’évolution des techniques altimétriques de la bande Ku Nadir vers la bande Ka et l’interféro-métrie large fauchée proche Nadir dans le contexte de la mission SWOT (« Surface Water Ocean Topography », CNES/NASA) soulève de nouvelles questions scientifiques quant à la validité des modèles de rétrodiffusion des surfaces d’eau dans cette bande de fréquence et les erreurs sur les estimations de hauteurs d’eau dues aux mouvements de ces surfaces au cours du temps. Un modèle de rétrodiffusion (GO4) adapté à la configuration SWOT est présenté. Il conserve la précision du modèle de référence de l’Optique Physique tout en gardant la simplicité du modèle plus couramment employé de l’Optique Géométrique. En plus du paramètre classique de pente, il introduit un paramètre supplémentaire, dit de « courbure effective » (msc). Le modèle permet l’inversion des paramètres de pente et de courbure de la surface sous certaines conditions déve-loppées dans ce manuscrit. La validité des modèles conjoints de rétrodiffusion en bande Ka et de surface d’eau a été vérifiée sur des mesures radar effectuées en soufflerie dans un environnement contrôlé. Dans une dernière partie, les propriétés temporelles du signal rétrodiffusé ont été étudiées, en particulier le temps de corrélation et le décalage Doppler induit par le mouvement des vagues. Nous étudions l’influence de ces quantités sur les performances de la synthèse SAR non focalisée du système SWOT. / The evolution of the altimetric techniques from Ku-band to Ka-band and the wide swath al-timetry in the context of the SWOT mission (« Surface Water Ocean Topography », CNES/NASA) raises new scientific questions about the validity of the backscattering models from water sur-faces in such a frequency band and errors in estimating water heights from time-evolving water surfaces. A backscattering model (GO4) adapted to the SWOT configuration is introduced. It preserves the accuracy of the referencial Physical Optics model while maintaining the simplicity of the clas-sical Optical Geometrics model. In addition to the classical slope parameter, it introduces another parameter called as « effective curvature » (msc). This model allows the inverson of the surface slope and curvature parameters under certain conditions which are developped in this manus-cript. The joint validity of the backscattering models in Ka-band and from water surfaces is che-cked from controlled wind-wave tank radar measurements . In a last part, the temporal properties of the backscattered signal is studied, in particular the correlation time and the Doppler shift induced by waves motion. Influence of the latters on the non focused SAR synthesis is studied in the context of the SWOT system.

L'objectif principal est l'étude de l'état de la mer et de ses relations avec les flux turbulents d'énergie et avec le signal radar rétrodiffusé. L'étude est basée sur les données de l'expérience FETCH (« Flux, Etat de la mer et Télédétection en Conditions de fetcH limité ») qui s'est déroulée dans le golfe du Lion, Méditerranée Occidentale, en Mars-Avril 1998. L'état de la mer a été étudié à partir de mesures in situ (bouées), et par télédétection aéroportée (radar RESSAC) et spatiale (altimètres TOPEX et ERS). Plusieurs états de mer (mer en développement, mer mixte et houle) associées à des situations météorologiques variées (Mistral, Tramontane, ou Marin) ont été analysés. La séparation du spectre des vagues en composantes de mer du vent (vagues générées par le vent local) ou houle a permis de classifier les états de mer. La loi de croissance des vagues a été établie pour les cas de pure mer observés localement par la bouée. . Cette loi diffèresensiblement de celles citées dans la littérature. Ce jeu de données a servi de base à une étude comparative entre modèles de prévision et observations, qui a montré la nécessité, pour cette région côtière, d'utiliser un champ de vent et un modèle d'état de mer de fine résolution spatiale. Une analyse de l'influence de l'état de la mer sur les flux de quantité de mouvement a été menée à partir des données de turbulence acquises sur une bouée (ASIS) et du navire de recherche (Atalante). En condition de mer du vent, l'influence de l'âge des vagues sur les flux de quantité de mouvement a été montrée. Mais aucune relation entre la pente significative des vagues et les paramètres des flux turbulents n'a été mise en évidence sur les données de l'expérience FETCH. L'analyse du signal radar à faible incidence (autour de 12°) a montré une dépendance très faible de la moyenne quadratique des pentes de la surface aux paramètres tels que la force du vent, l'âge ou la pente significative des vagues.

La plupart des côtes de la Terre reculent et 80% sont rocheuses. La prévision du recul des falaises littorales est primordiale afin d'anticiper les risques futurs pour les aménagements littoraux. Cependant, la compréhension de ce recul est difficile car de nombreux paramètres le contrôlent. Des expériences en canal à houle de petite échelle ont été effectuées où nous avons mis en place un massif de sable humide soumis à l'attaque des vagues par sapement. Le but est de comprendre comment l'effet des vagues contrôle l'érosion des falaises. La technique de mesure par ombroscopie a été employée et nous a permis de détecter la surface du sable et la surface libre en fonction du temps. Nous avons ainsi analysé l'influence du forçage des vagues (F, ξ) (où F est le flux d'énergie des vagues incidentes au large et ξ est le paramètre de similitude de "surf") sur la vitesse de recul de la falaise et sur la profondeur des évènements d'effondrement. La vitesse de recul de la falaise augmente linéairement avec le flux d'énergie F. Les débris de falaise érodés changent la morphologie du fond, les types de morphologie du fond dépendent fortement du paramètre de similitude de "surf" au déferlement, ou encore du paramètre de Dean Ω. Des profils du fond instationnaires présentant une oscillation auto-entretenue de la barre sédimentaire ont été observés. Nous avons de plus étudié l'effet de la granulométrie du sable utilisé : pour un sable plus fin, la falaise est plus cohésive et s'effondre au cours d'évènements de plus grande ampleur. Etonnamment, le recul de la falaise est plus important pour du sable fin. Ceci est probablement dû à une modification de la morphologie du fond conduisant à une dissipation de l'énergie des vagues moins importante. Le volume de sable injecté dans le système a finalement été quantifié, la barre sédimentaire a d'abord été prélevée périodiquement et il a été observé que la vitesse de recul de la falaise vr est constante. Puis, la hauteur de falaise a été modifiée, le recul des falaises est plus important pour des petites falaises. Il semblerait que l'instationnarité d'un profil du fond se déclenche à partir d'un volume seuil de sable érodé.

Ce travail de thèse apporte des éléments en vue d'une meilleure compréhension de la circulation et des processus de dispersion associés aux vagues à proximité des plages. Un outil de modélisation numérique opérationnelle a été développé, fondé sur le modèle spectral d'état de mer WAVEWATCH III et le modèle hydrodynamique 3-D MOHID Water. Le code MOHID a été étendu à l'approche glm2z pour la représentation des interactions 3-D vagues-courant. Les développements théoriques permettant l'obtention des équations glm2z sont rassemblés et détaillés dans ce travail. L'implémentation de ces équations au sein de l'outil de modélisation est exposée. L'outil construit est validé sur deux cas académiques, où est mise en évidence sa capacité à reproduire la solution fournie par des modèles numériques de référence. Par la suite, la modélisation est combinée à des observations in situ pour étudier deux sites de la côte Sud Atlantique française. Ces sites correspondent à des configurations littorales complexes, associant une influence significative des vagues et une stratification haline notable de la colonne d'eau. La confrontation des résultats du calcul 3-D aux mesures fournit des résultats encourageants et apporte des éléments utiles pour la compréhension de la variabilité des courants et des profils de salinité observés. Une baie estuarienne semi-fermée est tout d'abord étudiée. La modélisation y suggère un effet significatif des vagues sur la dispersion des panaches estuariens, susceptible d'impacter la vidange globale de la baie à l'échelle d'un épisode de précipitations. Le second site d'application permet l'étude de la circulation intense induite par les vagues au-dessus d'un système barre/chenal, ainsi que la dispersion des eaux douces introduites par une rivière dans la zone de déferlement. Ce travail fournit finalement un outil de modélisation 3-D pour l'étude de la circulation et du transport sous l'effet de l'ensemble des forçages littoraux.

Les radars altimètres embarqués à bord de satellites à plus de 800 km d'altitude permettent d'étudier des variations du niveau de la mer de l'ordre du centimètre ! Ils permettent aussi d'estimer la hauteur des vagues et la vitesse du vent le long des traces des satellites.<br />Ces paramètres sont estimés à partir des échos radar qui possèdent une forme caractéristique de la surface sur laquelle ils se réfléchissent.<br />La précision, la résolution et la qualité d'estimation de ces paramètres (hauteur de mer, hauteur des vagues, vitesse du vent...) sont des préoccupations permanentes pour l'exploitation et l'interprétation des mesures altimétriques.<br /><br /> Nous proposons dans cette thèse de réduire le niveau de bruit des mesures avant l'étape d'estimation c'est-à-dire sur les échos altimétriques.<br />Pour cela, nous exploitons leur corrélation spatiale en travaillant sur des matrices formées d'échos consécutifs.<br />Cette approche matricielle constitue une nouveauté dans le traitement du signal altimétrique. Son principal atout est de définir des sous-espaces vectoriels permettant de séparer l'information utile du bruit qui altère le signal.<br />Elle permet de définir des échos très peu bruités sans perdre l'information géophysique et avec une résolution maximale.<br />Nous établissons un traitement optimal au sens des moindres carrés s'appuyant sur des simulations et appliqué sur les données réelles de plusieurs altimètres.<br /><br /> Grâce aux échos débruités obtenus, les paramètres géophysiques sont extraits avec une précision accrue.<br />En réduisant le bruit haute fréquence, nous mettons en évidence une variabilité spatiale à plus fine échelle, jusqu'à présent noyée dans le bruit de mesure.<br />Cette méthode simple et efficace permet d'affiner la précision et la résolution des hauteurs de mer et des vagues estimées le long des traces des satellites.<br /><br /> En affinant la précision et la résolution des mesures le long des traces, on participe à la nouvelle orientation opérationnelle de l'altimétrie, tournée vers des utilisateurs et vers des études de plus en plus locales.

Le travail présenté dans cette thèse porte sur l'étude du dimensionnement d'une chaine de conversion électrique en entrainement direct d'un système direct de récupération de l'énergie des vagues (searev). Cette chaine de conversion est composée d'une génératrice synchrone à aimants permanents solidaire d'un volant pendulaire, d'un convertisseur électronique composé de deux ponts triphasés à modulation de largeur d'impulsion, l'un contrôlant la génératrice, l'autre permettant d'injecter l'énergie électrique au réseau. En complément, un système de stockage de l'énergie (batterie de supercondensateurs) est destiné au lissage de la puissance produite. Le dimensionnement de tous ces éléments constitutifs nécessite une approche d'optimisation sur cycle, dans un contexte de fort couplage multi-physique notamment entre les parties hydrodynamique et électromécanique. Dans un premier temps, l'ensemble génératrice-convertisseur, dont le rôle est d'amortir le mouvement d'un volant pendulaire interne, est optimisé en vue de minimiser le coût de production de l'énergie (coût du kWh sur la durée d'usage). Cette optimisation sur cycle est réalisée en couplage fort avec le système houlogénérateur grâce à la prise en compte conjointe de variables d'optimisation relatives à l'ensemble convertisseur-machine mais aussi à la loi d'amortissement du volant pendulaire. L'intégration d'une stratégie de défluxage, intéressante pour assurer un fonctionnement en écrêtage de la puissance, permet, dès l'étape de dimensionnement, de traiter l'interaction convertisseur-machine. Dans un second temps, la capacité énergétique du système de stockage de l'énergie fait l'objet d'une optimisation en vue de la minimisation de son coût économique sur cycle de vie. Pour ce faire, nous définissons des critères de qualité de l'énergie injectée au réseau, dont un lié au flicker, et nous comparons des stratégies de gestion de l'état de charge tout en tenant compte du vieillissement en cyclage des supercondensateurs dû à la tension et à leur température. Dans un troisième temps, à partir de données d'états de mer sur une année entière, nous proposons des dimensionnements de chaines de conversion électrique qui présentent les meilleurs compromis en termes d'énergie totale récupérée et de coût d'investissement.

Cette thèse présente une simulation, en canal à houle, des processus naturels hydrodynamiques etde transport sédimentaire de la zone de déferlement bathymétrique. L’analyse spatio-temporelle dela structure moyenne et instantanée de l’écoulement repose sur un jeu de mesures hauterésolutions.On effectue une étude des processus de couche limite et de l’impact des processus desurface libre sur le fond sédimentaire.Un profil de plage en forme de terrasse est engendré par le déferlement de séries de vagues irrégulières(JONSWAP) sur un fond mobile constitué de sédiments de faible densité (_ _ 1.19). Dans cesconditions, la mesure acoustique (ADVP) de profils de vitesse, de concentration et de flux de sédimentsest synchronisée à des séquences d’images vidéo et à des mesures de hauteurs de vagues.Une analyse de l’évolution des quantités moyennes hydrodynamiques et de transport solide est réaliséedans la zone de déferlement. Une analyse à l’échelle intra-vague aborde la structure del’écoulement sous le déferlement de vagues irrégulières. Enfin, on s’attache à une comparaison de lacontrainte au fond sous une vague déferlée calculée par des modèles physiques, à celle obtenue parmesures directes. / This thesis presents a wave channel simulation of the hydrodynamic and sediment transportprocesses in the wave breaking region. The spatio-temporal analysis of the mean and instantaneousflow structure relies on a full set of high resolution data. The study focuses on processes related tothe wave boundary layer and to the impact of surface breaking on the mobile bed.A terraced beach profile is generated by the breaking of irregular wave sequences (JONSWAP) on amobile bed constituted of low density sediments (_ _ 1.19). In these conditions, the acoustic measurementof velocity profiles, concentration profiles and sediment flux profiles are synchronised withsequences of video images and wave heights. An analysis of the evolution of mean hydrodynamicand sediment transport quantities is undertaken across the entire wave breaking zone. An intra-waveanalysis on the flow structure below irregular breaking waves is carried out. Finally, bed shear stressbelow a breaking wave predicted by different physical models and direct measurements, are comparedand discussed.

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. / Efficient time stepping algorithms are crucial for accurate long time simulations of nonlinear waves. In particular, adaptive time stepping combined with an integrating factor are known to be very effective. We propose a modification of the existing technique. The trick consists in subtracting a certain-order polynomial to a PDE. Then, like for the integrating factor, a change of variables is performed to remove the linear part. But, here, we hope to remove something more to make the PDE less stiff to numerical resolution. The polynomial is chosen as a Taylor expansion around the initial time of the solution. In order to calculate the different derivatives, we use a dense output which gives a possibility to approximate the derivatives of the solution at any time. The modified integrating factor being applied, a classical time-stepping method can be used to solve the remaining equation. We focus on various Runge-Kutta schemes with a varying step size. We take advantage of embedded methods and use an evolved adaptive step control. We do not need to calculate new functions and loose time of calculation only by using already estimated values during the temporal evolution. Numerical tests show that the actual efficiency of the method varies along cases. For example, we verified that steeper waves profiles give rise to better behaviour of the method. For fully nonlinear water wave simulations with the HOS model, we can save up to 30% of total time steps with a Dormand-Prince Runge-Kutta scheme and we can save up to 99% with the Bogacki-Shampine scheme.