Simulation numérique et expérimentale de la propagation non linéaire des ondes acoustiques en milieu hétérogène

La propagation à grande distance du bang sonique est sensible aux caractéristiques de l'atmosphère terrestre, notamment dans la couche turbulente située entre 0 et environ 1 km d'altitude. Nous avons réalisé des expériences à l'échelle 1 : 100 000 dans l'eau ainsi que des simulations numériques pour étudier l'interaction entre une onde de choc et un milieu hétérogène. Les expériences nous permettent de comprendre le lien entre le repliement du front d'onde (« wave front folding ») et l'augmentation du temps de montée ainsi que la distorsion des formes d'ondes. L'influence de la taille des hétérogénéités est aussi étudier expérimentalement. Ensuite, un modèle théorique et numérique est validé grâce au caractère déterministe de nos expériences. Les simulations numériques démontrent l'influence de la propagation non-linéaire et son effet sur la perception auditive du bang sonique

Modélisation en domaine temporel de la propagation acoustique

La propagation acoustique en milieu externe est fortement influencée par l'environnement. Les effets liés à la géométrie, comme la topographie ou la présence d'obstacles, sont principalement les réflexions et les diffractions. Concernant l'effet de l'atmosphère, les gradients moyens génèrent des réfractions tandis que la turbulence provoque des fluctuations aléatoires et une perte de cohérence du signal. La plupart de ces effets sont généralement bien décrits de manière théorique, cependant dans les configurations réelles le cumul de tous ces effets rend l'utilisation des expressions analytiques très difficile. Les études expérimentales présentent également des limites liées à la difficulté de connaître l'environnement parfaitement et d'isoler un effet physique particulier. Dans cette perspective, la simulation numérique est une alternative pratique et complémentaire à la théorie et l'expérimentation. Parmi les modèles numériques de propagation existants, ceux basés sur une résolution par différences finies dans le domaine temporel (FDTD pour Finite-Difference Time-Domain) des équations d'Euler linéarisées sont récents et particulièrement prometteurs. Cependant comme pour tout modèle nouveau, il reste à montrer qu'effectivement l'ensemble des phénomènes physiques d'intérêt sont retranscrits.Dans le cadre de ses études sur la propagation acoustique extérieure, l Institut franco-allemand de recherches de Saint-Louis (ISL) a implémenté un tel modèle de propagation. Cette implémentation est ci-après appelée ITM, pour ISL FDTD Model. L'objectif de cette thèse, proposée par l'ISL en collaboration avec le Laboratoire de Mécanique des Fluides et d'Acoustique (LMFA), est de poursuivre le développement et les validations de cette implémentation. Une part importante du travail consiste également à illustrer les potentialités du code ITM pour des applications de propagation de signaux acoustiques complexes dans un environnement complexe. [...]Outdoor sound propagation is strongly influenced by the environment. The geometry, such as topography and the presence of obstacles, alters the sound through reflexions and diffractions. Regarding atmosphere-related effects, the mean gradients produce refractions while turbulence cause random fluctuations and signal coherence loss. Most of those effects are generally well described theoretically. Still, in real configurations, the accumulation of those effects makes the use of analytical expressions difficult. Experimental studies are also limited because of difficulties in perfectly determining the environment or in separating a precise physical effect. In that perspective, numerical simulation is a convenient and complementary alternative approach to theory and experimentation. Among the existing numerical propagation models, those based on a Finite-Difference resolution in the Time-Domain (FDTD) of the linearized Euler equations are recent and particularly promising. However as for every new model, it remains to show that indeed the physical phenomena of interest are reproduced. In the framework of its studies on outdoor sound propagation, the french-german research Institute of Saint-Louis (ISL) has implemented such a propagation model. This implementation is hereafter called ITM, for ISL FDTD Model. The objectives of the thesis, proposed by ISL in collaboration with the Laboratory of Fluid Mechanics and Acoustics (LMFA), are to pursue the developments and validations of this implementation. An important part of the work is also given on the illustration of the potentialitiesof the ITM code in propagating complex acoustic signals in complex environments. [ ]LYON-Ecole Centrale (690812301) / SudocSudocFranceF

Caractérisation des vents dans la moyenne atmosphère et basse thermosphère à partir d'observations d'ondes infrasonores

Le Système de Surveillance International (SSI), destiné à vérifier l'application du Traité d'Interdiction Complète des Essais Nucléaire (TICE), est constitué de quatre réseaux de stations : sismologiques, hydroacoustiques, radionucléides et microbarométriques. Ces dernières enregistrent en continu les ondes infrasonores dans la bande de fréquence 0.02-4 Hz. Ces ondes se propagent dans l'atmosphère sur de longues distances à travers les guides résultant de la stratification naturelle des propriétés atmosphériques (température, densité, vents, ...) et représentent une source d'information pour comprendre la dynamique atmosphérique jusque dans la basse thermosphère. L'objectif de cette thèse est d'analyser dans quelle mesure les observations infrasonores peuvent être assimilées dans les modèles atmosphériques.Nous commençons par décrire l'atmosphère et ses mécanismes de circulation ainsi que les différentes techniques d'observations utilisées pour le développement des modèles atmosphériques. L'analyse descriptive de l'interaction des ondes infrasonores avec l'atmosphère permet de mettre en évidence l'intérêt des mesures infrasonores par rapport aux méthodes de mesures conventionnelles. Afin de rendre compte de ce potentiel nous développons un algorithme d'inversion afin d'estimer des paramètres atmosphériques dont le problème direct est traité par une méthode de tracé de rayons. Le développement des formes perturbatives des équations des rayons pour des perturbations du milieu de propagation, et plus particulièrement des paramètres de vents, est décrit en détail. Nous formulons et analysons le problème inverse au travers de différents cas d'études synthétiques visant à mettre en évidence les conditions d'applications de l'algorithme.Les résultats obtenus témoignent de la pertinence de notre approche et montre que l'apport des observations infrasonores peut-être significatif au niveau des altitudes de réfraction de l'énergie acoustique, c'est-à-dire à environ 50 km et entre 100 et 120 km d'altitude.The International Monitoring System (IMS) designed to monitor compliance with the Comprehensive Nuclear Test-Ban Treaty (CTBT) uses four complementary verification methods : seismic, hydroacoustic, radionucleide and microbarometric stations spanning the entire globe. Microbarometric stations record continuously infrasonic waves in the frequency band 0.02-4 Hz. These waves propagate at long-ranges through atmospheric ducts resulting from the natural stratification of atmospheric properties (temperature, density, winds, ...) and represent a valuable information to understand atmospheric dynamic until the lower thermosphere. In this thesis, we seek to determine the possible contribution of infrasound observations for improving current atmospheric specifications.We describe the atmospheric media and its circulation mechanisms as well as the conventional observations used in the development of atmospheric models. A description of the interaction between infrasonic waves and the atmosphere help to understand the interest of microbarometric measurement compared with conventional observations. To highlight this potential we develop an inverse algorithm in order to estimate atmospheric parameters from infrasonic observations. The forward problem is handled by a ray-tracing algorithm. First-order perturbation equation resulting from perturbation of atmospheric properties, and especially wind parameters, are developped and numerically validated. We then analyse the inverse problem through several numerical experiments in order to show the capabilities and limitations of our algorithm.Results show the suitability of our approach and indicate that infrasonic observations can significantly improve current atmospheric specification at the altitudes of acoustic energy refraction, i.e. around 50 km and between 100 and 120 km.LYON-Ecole Centrale (690812301) / SudocSudocFranceF

Influence de la couverture de neige de l'hémisphère nord sur la variabilité interannuelle du climat

La neige peut couvrir jusqu'à 40% des terres immergées de l'hémisphère Nord en hiver. De par son influence sur le bilan d'énergie en surface, elle constitue donc une source potentielle de variabilité et de prévisibilité climatique aux échelles mensuelles à saisonnières. Au-delà de ses effets locaux, la couverture neigeuse peut, à l'instar des surfaces océaniques, engendrer des téléconnexions et ainsi moduler le climat de régions plus lointaines. Cette thèse revisite plusieurs aspects des liens neige-climat en utilisant à la fois les jeux de données observées, les simulations réalisées pour le 4ème rapport du Groupe Intergouvernemental d'experts sur l'Evolution du Climat (GIEC), ainsi que le modèle atmosphérique ARPEGE-Climat pour réaliser des tests de sensibilité. L'influence de la neige eurasiatique/himalayenne sur la mousson indienne d'été, largement évoquée dans la littérature, est remise en cause par l'analyse des données observées étendues à la période 1967-2006. Toutefois, un prédicteur lié à la circulation atmosphérique de grande échelle sur le Pacifique Nord est proposé pour améliorer les prévisions saisonnières statistiques de la mousson indienne. L'influence des étendues de neige sibériennes en automne sur la variabilité atmosphérique hivernale de l'hémisphère Nord semble quant à elle plus robuste dans les observations. Si les modèles couplés du GIEC sont incapables de reproduire cette téléconnexion, les expériences de sensibilité réalisées avec ARPEGE-Climat confirment le mécanisme physique proposé dans la littérature, à condition que la perturbation en surface soit importante et que l'état moyen de la circulation extratropicale simulé soit suffisamment réaliste. Finalement, la prévisibilité de l'atmosphère associée à l'enneigement est quantifiée de façon plus systématique avec ARPEGE-Climat. Si les résultats montrent un impact mitigé sur la circulation de grande échelle, la relaxation/initialisation du modèle vers/avec des masses de neige plus réalistes permet une meilleure prévisibilité des températures de surface sur l'Europe et l'Amérique du Nord. La neige représente donc une source de prévisibilité climatique non négligeable à l'échelle locale et peut influencer à distance la circulation atmosphérique extratropicale. Les téléconnexions neige-climat doivent être cependant être confirmées dans les années qui viennent, et constituent encore un exercice difficile pour l'état de l'art des modèles de climat.Snow can cover more than 40% of the Earth's land surface during the Northern Hemisphere winter. Because of its influence on the energy balance at the surface, it represents therefore a potential source of climate variability and predictability at the seasonal and monthly timescales. Beyond its local effects, snow cover is able to generate some teleconnections and thereby modulate some remote climatic phenomena. This thesis revisits several aspects of snow-climate relationships using both observed data sets, simulations from the 4th report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) and the ARPEGE-Climat atmospheric model to perform sensitivity experiments. The influence of Eurasian/Himalayan snow on the Indian summer monsoon, widely reported in the literature, is questioned by the analysis of observed data extended to the 1967-2006 period. However, a predictor associated with large-scale atmospheric circulation over the North Pacific region is proposed to improve the statistical seasonal forecasts of the monsoon rainfall. The influence of the Siberian snow extent in fall on the variability of the wintertime Northern Hemisphere atmosphere seems more robust in the observations. If the IPCC coupled models are unable to reproduce this teleconnection, the sensitivity experiments performed with ARPEGE-Climat confirm the physical mechanism proposed in the literature, depending on the amplitude of the forcing and on the realism of the simulated extratropical circulation mean state. Finally, the atmospheric predictability related to snow is quantified more systematically with ARPEGE-Climat. If the results show a mixed impact on the large scale circulation, relaxation/initialization of the model towards/with a more realistic snow mass leads to a better predictability of surface temperature over Europe and North America. Consequently, snow represents a significant source of climate predictability at the local scale and have remote influence on the extratropical atmospheric circulation. Snow-climate teleconnections should however be confirmed in the coming years and are currently poorly captured by the state-of-the-art climate models

Modélisation de cisaillements de vent et assimilation de données dans la couche limite atmosphérique

L'objectif de cette thèse est d'étudier la capacité des modèles météorologiques à prévoir des épisodes de cisaillements de vent dans les basses couches de l'atmosphère sur une zone limitée à un aéroport et d'examiner l'apport pour la modélisation d'observations locales à haute fréquence. Nous avons choisi l'aéroport international de Nice, régulièrement soumis à des variations rapides de la direction et de l'intensité du vent selon l'horizontale dans la CLA, appelées aussi renverses. Un profileur de vent et trois anémomètres sont installés sur les pistes de l'aéroport. Au début de l'année 2009, une campagne de mesures incluant un lidar vent à balayage et un anémomètre sonique s'est déroulée sur l'aéroport fournissant des observations complémentaires. L'ensemble des mesures à haute fréquence temporelle et des simulations numériques obtenues avec le modèle de recherche Méso-NH à 2.5 km de résolution, a fourni une vision de l'enchaînement complexe des écoulements conduisant à des cisaillements de vent d'origine différente. Cette complémentarité a aussi permis d'estimer la capacité du modèle numérique à reproduire les cisaillements de vent. Pour les trois situations étudiées, il reproduit la structure horizontale et verticale de l'écoulement malgré des erreurs de placement spatio-temporel. Bien que les écoulements locaux participent à la mise en place des conditions nécessaires au cisaillement de vent, c'est l'écoulement de méso-échelle (ondes piégées ou talweg d'altitude) qui va déterminer la position du phénomène. Nous avons réalisé des comparaisons avec le modèle opérationnel de Météo-France AROME ainsi que des tests de sensibilité pour étudier l'influence des conditions de couplage et de la résolution. Nous avons, en particulier, augmenté la résolution horizontale de 2.5 km à 500 m sur un domaine centré sur l'aéroport de Nice sur les situations étudiées. Une résolution de 500 m permet d'améliorer la représentation d'écoulements locaux et de variations locales du vent mais n'améliore pas la position des cisaillements de vent par rapport à une échelle plus grossière. L'extension horizontale limitée du domaine à haute résolution augmente la sensibilité aux conditions aux limites de grande échelle. Pour améliorer les prévisions et contraindre le modèle numérique vers les observations disponibles sur le site d'étude, un système d'assimilation de données basé sur le 'nudging' et permettant de prendre en compte des données à haute fréquence temporelle, le ''nudging direct et rétrograde'' (BFN pour 'Back and Forth Nudging'), a été mis en place. Nous avons appliqué cet algorithme aux équations de Lorenz pour confirmer le comportement de cette méthode par rapport à des résultats publiés antérieurement avec d'autres méthodes d'assimilation de données. Les résultats encourageants, ont conduit à l'introduction du BFN dans Méso-NH. Nous avons mis en place des simulations avec assimilation de données simulées dans des conditions idéalisées qui ont montré une réponse cohérente du modèle numérique à l'introduction de profils verticaux de vent.The objective of this thesis is to study the ability of numerical weather prediction model to represent windshears in the lower layer of the atmosphere over an airport area and to determine the impact of high temporal frequency observations on predictions. The study focuses on the international Nice Côte d'Azur airport where horizontal windshears, also called wind reversals, happen regularly. A wind profiler and three anemometers were installed on the Nice airport runways. At the beginning of 2009, a field campaign with a wind lidar and a sonic anemometer took place in order to provide additional observations. Both high temporal frequency data and numerical simulations performed with the mesoscale research model Meso-NH supply a general picture of the evolution of the various flows leading to a windshear event over the airport. We also use observational data to validate the model predictions for three different situations of windshear. The simulations reproduce quite well the horizontal and vertical structure of the flow despite a spatio-temporal misplacement. Local flows such as land and valley breezes are important to generate low level conditions for a horizontal windshear event but the front position is mostly influenced by mesoscale flow (trapped gravity waves or low geopotential). We compared the Meso-NH simulations with the results of the operational model AROME and carried out sensitivity testing against initial and coupling conditions at 2.5 km resolution. We then ran experimental simulations at 500 m resolution, centered on the airport platform, to evaluate the impact of an increased resolution on the windshear predictions. Such a resolution provides improvement of local flow and generates rapid and local wind changes but does not improve the windshear front position compared to a 2.5 km resolution simulation. Moreover the small horizontal grid domain increased the sensitivity to large scale lateral boundary conditions. In order to constrain numerical simulations toward high temporal frequency observations we considered a data assimilation system based on the nudging technique called the 'Back and Forth Nudging' (BFN) technique. We first applied this algorithm to the Lorenz system to compare its behaviour with published results considering other data assimilation techniques. The promising results allowed the implementation of the BFN within the Meso-NH model. We performed assimilation experiments in idealized conditions with high temporal frequency of wind profiles that show a consistent response of the model

Influence de la stratosphère sur la variabilité et la prévisibilité climatique

Les moyennes et hautes latitudes de l'hémisphère nord sont caractérisées par une forte variabilité climatique en hiver, incluant l'occurrence d'évènements extrêmes tels que les vagues de froid ou les tempêtes, et présentent une faible prévisibilité aux échéances mensuelle à saisonnière dans les systèmes opérationnels. Un nombre croissant d'études montre qu'au-delà du couplage océan-atmosphère, le couplage troposphère-stratosphère contribue également à la variabilité climatique à ces échelles de temps. Cette thèse vise à mieux comprendre l'influence de la stratosphère sur la variabilité climatique hivernale à nos latitudes, et à quantifier sa contribution potentielle à la prévisibilité climatique saisonnière en comparaison de la contribution océanique. Dans un premier temps, un état des lieux des connaissances sur le couplage troposphère-stratosphère est dressé et la variabilité inter-annuelle du vortex stratosphérique polaire est revisitée par le biais d'analyses composites sur la base des réanalyses atmosphériques du CEPMMT. Ensuite, les principaux outils de cette thèse sont présentés et validés, à savoir le modèle ARPEGE-Climat et la technique de « nudging » permettant de relaxer (guider) le modèle vers les réanalyses. Comme beaucoup de modèles, les versions 4 et 5 d'ARPEGE-Climat en configuration T63L31 simulent un vortex stratosphérique polaire nettement décalé vers le sud, ce qui peut avoir des conséquences négatives sur la variabilité simulée via la modification des interactions ondes-écoulement moyen. Si la faible résolution verticale dans la stratosphère est souvent mise en avant pour expliquer le manque de prévisibilité dans les modèles, nos travaux sur la version 5 d'ARPEGE-Climat montrent que l'augmentation de la résolution verticale et l'élévation du toit du modèle à 0.1 hPa ne suffisent pas pour obtenir un climat plus réaliste, que ce soit en termes d'état moyen, de variabilité ou de prévisibilité à l'échelle saisonnière. C'est pourquoi, tout au long de cette thèse, la technique de la relaxation de la stratosphère vers les réanalyses issues du CEPMMT a été exploitée afin de montrer, de manière idéalisée, sa forte influence sur la variabilité climatique hivernale aux extratropiques de l'hémisphère nord, par rapport au seul forçage par les températures de surface de la mer observées. L'étude des hivers 1976-1977 et 2009-2010 via la réalisation de simulations d'ensemble avec et sans nudging a permis de confirmer la contribution de la stratosphère à la phase négative de la NAO et aux fortes anomalies négatives de température observées sur l'Europe du nord. La généralisation des ensembles à la période 1958-2007 (avec initialisation au 1er Novembre) confirme l'impact positif du nudging extratropical mais montre un effet très limité du nudging équatorial qu'il conviendrait d'évaluer de manière plus précise en augmentant la taille des ensembles. Ainsi, si elle confirme l'importance de la stratosphère pour la prévision saisonnière hivernale à nos latitudes, cette thèse ouvre de nombreuses perspectives concernant les mécanismes qui sous-tendent le couplage troposphère-stratosphère et l'intérêt d'une prévision statistico-dynamique consistant à relaxer le modèle ARPEGE-Climat vers une stratosphère prévue de manière statistique. ABSTRACT : In the Northern Extratropics, winter climate shows a large inter-annual variability compared to other regions and seasons, with the occurrence of extreme weather events such as cold spells, heavy snowfall and wind storms. Unfortunately, current dynamical seasonal forecasting systems still show low predictability in the northern mid-latitudes. Besides ocean-atmosphere coupling, there is growing observational and numerical evidence that troposphere-stratosphere coupling also contributes to climate variability on a wide range of scales. The aim of this thesis is to evaluate this additional forcing by focusing on the stratospheric polar vortex influence on the wintertime climate variability in the northern mid-latitudes at inter-annual and intra-seasonal timescales. We first make a synthesis of the knowledge about troposphere-stratosphere coupling. The inter-annual variability of the stratospheric polar vortex is assessed using composite analysis of atmospheric ECMWF reanalysis. Then, the main tools used during this thesis are described, namely the ARPEGE-Climat model and the nudging of the stratosphere towards the ECMWF reanalysis. Like many other models, ARPEGE-Climat has a polar jet which is too weak and displaced southward compared to reanalysis data, regardless his version, which could have negative consequences on the wintertime variability. Although the poorly resolved stratosphere is often suggested to explain the lack of previsibility in the models, our results show that, in the ARPEGE-Climat V5 model, the improved vertical resolution is not sufficient to simulate a more realistic climate variability and predictability. For these reasons, throughout this thesis, the stratospheric relaxation towards the reanalysis data from the ECMWF is used in order to compare his relative contribution to the tropospheric extra-tropical climate variability, compared to the sea surface temperature forcing. Case studies have been carried out for the 1976-1977 and 2009-2010 winters though ensemble simulations with free or nudged stratosphere. Results confirm the relative contribution of the stratosphere to the negative phase of the NAO and the temperature anomalies over the northern Europe. Similar initialized ensemble simulations over the 1958-2007 period confirm the positive impact of the extra-tropical nudging, but show a limited influence of the equatorial nudging, that needs to be analyzed more precisely with a larger ensemble. In conclusion, this thesis shows the importance of a realistic stratosphere in the extra-tropical seasonal forecast in winter, but a lot of questions remains opened, like mechanisms related to the troposphere-stratosphere coupling, and the interest of a statistico-dynamical forecast including a relaxation towards a statistical stratospher

Ondes internes générées sur une dorsale océanique : du laboratoire à l'océan

La marée interne contribue au maintien de la circulation méridienne de renversement. Il existe, à l'heure actuelle, une controverse sur la nature exacte des mécanismes pilotant cette circulation. Une meilleure quantification des apports énergétiques associés aux ondes internes permettrait d'apporter quelques clés de compréhension de ce mécanisme complexe. Dans cette thèse, différents régimes d'ondes internes topographiques inspirés par des configurations océaniques sont étudiés afin d'évaluer quantitativement les transferts énergétiques associés. L'utilisation complémentaire des outils numériques et expérimentaux permet de détailler la dynamique de ces régimes de manière exhaustive. La première partie de la thèse porte sur la génération d'ondes internes de petite amplitude par l'oscillation d'un mont Gaussien dans un fluide linéairement stratifié. L'approche choisie s'appuie sur un jeu d'expériences de laboratoire pour lesquelles la pente relative du rayon d'onde interne par rapport à la pente maximale du mont varie. Nous montrons qu'un maximum énergétique est atteint dans le régime critique pour lequel les pentes du rayon et du mont sont similaires. Dans la suite de la thèse, la dynamique d'ondes internes de forte amplitude se propageant dans des régions de fort gradient de densité, comme la pycnocline océanique, est étudiée. Nous utilisons dans un premier temps le modèle numérique Symphonie-NH pour décrire leur génération et leur dynamique, sur une configuration académique bidimensionnelle. Tout d'abord, la génération primaire d'ondes internes interfaciales est étudiée. On s'intéresse en particulier à des régimes fortement non-linéaires pour lesquelles des ondes solitaires sont observées. Elle sont induites par l'interaction directe entre la marée barotrope et la topographie et est observée dans des régimes de pycnocline de forte intensité dans l'océan, comme en mer de Sulu. La structure des ondes internes solitaires est étudiée avec des modèles analytiques simples comme l'équation KdV. En comparant le déplacement de la pycnocline généré par des topographies de différentes formes, nous montrons qu'un contrôle topographique important est exercé par le mont sur la génération primaire d'ondes internes solitaires. Un paramètre adimensionné est proposé pour décrire ce contrôle topographique. Ensuite, la génération secondaire d'ondes internes solitaires induites par l'interaction de rayons d'ondes internes émis sur une topographie avec une pycnocline d'intensité modérée, comme dans le Golfe de Gascogne, est étudiée. Des simulations numériques directes sont effectuées pour décrire la dynamique des ondes internes solitaires, et leur atténuation par radiation d'énergie dans la couche inférieure. L'évolution de la structure des modes normaux en fonction de l'intensité de la pycnocline, et le rôle joué par la forme du mont sont détaillés. Des expériences sont menées pour étudier la génération primaire et la génération secondaire d'ondes internes solitaires dans le grand canal du CNRM-GAME. Une configuration expérimentale utilisant un mont sinusoïdal oscillant dans la couche inférieure, stratifiée ou non, d'un fluide bicouche est adoptée. Cette configuration, inspirée des simulations numériques précédentes, permet d'explorer une gamme plus large de régimes d'ondes interfaciales. Des mesures de déplacement interfacial avec des sondes à ultrasons d'une part, et avec des mesures optiques d'autre part, permettent de discuter la dynamique, et la structure tridimensionnelle de ces ondes. La structure des ondes internes solitaires dans le cas de la génération primaire apparaît plus stable que pour la génération secondaire. Dans ce deuxième cas, des structures transverses régulières sont mesurées.Internal tides contribute to sustain the Meridional Overturning Circulation. In fact, the relative importance of the mechanical and thermodynamical energy sources is being debated, yet it is clear that the mixing these waves induce is strongly linked to the General Circulation energy balance. In order to provide quantitative evaluations of energy transfers associated with internal waves generated over a topography in various regimes of linearity and stratification, we adopt a complementary approach, relying on numerical and experimental tools. In the first part of this manuscript, I focus on linear internal waves generated by the oscillation of a Gaussian ridge in a linearly stratified fluid. An energy-based approach of a series of laboratory experiments in which the ratio of the internal wave ray slope to the ridge slope is modified, permits to highlight that near-critical bottom topographies are likelier to generate powerful internal waves. Another aspect of my thesis is the dynamics of nonlinear internal waves in regions of sharp density gradients such as the ocean pycnocline. Important nonlinear effects are involved in such processes, potentially leading to the generation of internal solitary waves. These waves are responsible for important energy transfers, as they initiate turbulent mixing while they propagate in the pycnocline. Therefore, their generation and propagation processes are a crucial point of study. For that purpose, simulations using the numerical model Symphonie-NH are performed to describe two generation processes observed in the ocean. First, I focus on the primary generation of internal solitary waves, caused by the direct interaction between the barotropic tide with the ocean bottom topography, observed in strong pycnocline regimes in the ocean, such as in the Sulu sea. The structure of internal solitary waves is studied using simple analytical models such as the KdV scheme. By comparing the isopycnal displacements obtained with ridges of different shapes, we show that a strong topographic control is exerted by the ridge shape in the primary generation of internal solitary waves. A nondimensional parameter is proposed to describe this topographic control. Then, the secondary generation of internal solitary waves, induced by the interaction between internal wave rays emitted at a topography and a pycnocline of moderate strength (like in the Bay of Biscay) is treated. Direct numerical simulations are performed to study the dynamics of these internal solitary waves, and their damping due to a downward leaking of energy. The evolution of the normal modes structure with respect to the pycnocline strength, as well as the role played by the topography shape are described in order to provide new insights regarding the secondary generation process. Experiments are performed to study the primary and secondary generations of internal solitary waves in the large water tank of CNRM-GAME. An experimental configuration using a steep sinusoidal ridge oscillating in a two-layer fluid is used. Measurements with ultrasonic probes and optical measurements permit to observe the dynamics and the three-dimensional structure of these waves. Internal solitary waves issued from the primary generation process appear more stable than in the secondary generation process, for which substantial transverse structures are observed

Discrétisation par éléments finis des équations de Saint-Venan linéaires

Dans ce travail on s'intéresse à la résolution des équations de Saint -Venant par la méthode des éléments finis. Deux tests numériques sont présentés en utilisant deux paires d 'éléments finis : P₁NC - P₁ et RT0 - P₀. Lorsque le systèrne d'équations de Saint-Venant admet une solution analytique, cette solution est comparée avec celle obtenue par la méthode numérique pour montrer la robustesse de ces éléments finis

Intercomparaison de trois modèles dynamiques canadiens de prévision numérique saisonnière du climat

Le principal objectif de ce mémoire consiste en l'évaluation de trois modèles dynamiques canadiens de prévision numérique saisonnière du climat. Ayant conscience de l'influence de l'océan sur la qualité des prévisions numériques saisonnières nous vérifierons au cours de ce travail l'hypothèse de base suivante: la persistance de l'anomalie de la température de la surface de l'océan Pacifique (SSTA) communique à l'atmosphère un certain degré de prévisibilité. Afin de vérifier cette hypothèse un ensemble de vingt-six années de simulations effectuées par chacun des modèles a été étudié. Ensuite, pour tenter d'améliorer la qualité des prévisions saisonnières, nous avons calculé la moyenne d'ensemble des trois modèles. Nous appellerons désormais cette technique multimodèle. Pour estimer la réponse de chacun des modèles aux effets du forçage de l'océan nous avons commencé par séparer les années prévues en deux catégories: les années caractérisées par une forte SSTA (années EPSO) et celles caractérisées par une faible SSTA (années NEPSO). Ensuite, nous avons étudié la prévision des modèles des deux derniers mois de la saison. Ceci nous permet de distinguer l'influence des conditions aux limites. Nos résultats montrent que durant les saisons d'hiver et printemps boréales les trois modèles ainsi que le multimodèle semblent bien reproduire les patrons de la circulation dynamique au sein de l'atmosphère (GZ500). On peut également y voir un potentiel pour l'amélioration de la qualité des prévisions à longue échéance. En outre, nous avons remarqué que la région tropicale est généralement mieux prévue par les modèles que les extra-tropiques. Enfin, nous avons remarqué que les modèles présentent une habileté à prévoir les champs atmosphériques au-dessus de certaines régions du globe en dehors des tropiques. Parmi ces régions nous citons le Pacifique Nord/Amérique du Nord dans le cas de GZ500 et la route des dépressions du Pacifique « Storm Track » dans le cas des précipitations. Le « Storm Track » du Pacifique influence le climat de l'est de l'Asie ainsi que celui de l'Amérique du Nord. L'habileté de nos modèles à prévoir le « Storm Track » du Pacifique n'avait pas été observée dans des études précédentes. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Prévision numérique saisonnière moyenne d'ensemble