Dissertations / Theses on the topic 'Troposphère – Dynamique'

La caractérisation et la prévision des épisodes de pollution de l’air nécessitent une approche à la fois chimique et météorologique. Dans ce travail, nous nous sommes donc attachés à mettre en évidence les relations entre les phénomènes météorologiques et la pollution de l’air. Pour cela, nous avons mis en œuvre, dans l’agglomération dunkerquoise, une campagne de mesures de six mois, associant des mesures météorologiques, micro-météorologiques et de composés de type BTEX (Benzène, Toluène, Ethyl-Benzène et Xylènes). Des mesures de flux turbulents ont permis d’évaluer la capacité dispersive de l’atmosphère lors de périodes anticycloniques, dépressionnaires, de passages de front et d’épisodes de brises côtières. Cette étude a montré en particulier le rôle majeur de la brise, à l’origine des plus importants épisodes de pollution de la campagne. Afin d’appréhender l’aspect dynamique tridimensionnel de la brise et par conséquent, le devenir des polluants en altitude, nous avons caractérisé la structure d’un épisode de brise à partir d’instruments de télédétection optique et acoustique et de simulations numériques. L’étude de la pollution de fond a été menée à proximité du site de surveillance du Pic du Midi de Bigorre (PDM) dans les Pyrénées. Des études climatologiques précédentes ont révélé un comportement atypique du cycle d’ozone en période estivale, se traduisant par une diminution d’ozone en milieu de journée. A l’aide d’un lidar à absorption différentielle, nous avons pu mesurer au voisinage du PDM les profils verticaux de l’ozone et du coefficient d’extinction afin d’étudier in situ le rôle des phénomènes météorologiques locaux de brises de pentes
The characterization and the forecast of air pollution episodes require a combined chemical and weather approach. So, in this work the relations between the meteorological situation and the air pollution. Thereby, a field campaign associating weather, micrometeorological and BTEX (Benzene, Toluene, Ethyl-Benzene and Xylenes) compounds was carried out during six months in Dunkirk. Measurements of turbulent flows were used to evaluate the dispersive capacity of the atmosphere during anticyclonic and depressionary periods, front passages and sea breeze episodes. This study showed in particular that the sea breeze was responsible of the most important pollution episodes of the measurements period. In order to apprehend the three-dimensional dynamic aspect of the breeze and consequently, the pollution behaviour in altitude, the structure of a sea breeze episode was characterized from optical and acoustic teledetection instruments and numerical simulations. The study of the background pollution occured in the neighbouring of the monitoring site of the “Pic du Midi de Bigorre” (PDM) in the Pyrenees (France). Previous studies revealed an atypical behavior of the ozone cycle in summer period, resulting in a decline of ozone in the middle of day. In order to study experimentally the role of the local weather phenomena, the vertical profiles of the ozone and of the extinction coefficient were measured with a differential absorption lidar in the vicinity of the PDM

Dans ce travail de thèse, des méthodes de simulation numérique ont été utilisées afin de modéliser, à l’échelle moléculaire,l’interaction entre des aérosols carbonés et diverses molécules de l’atmosphère.L’objectif était de caractériser les propriétés physico-chimiques de ces aérosols, qui jouent un rôle majeur dans le climat, en particulier via leur capacité à former des noyaux de condensation pour les molécules d’eau. En premier lieu, les techniques de la dynamique moléculaire ont été appliquées à la détermination de l’organisation d’agrégats d’acide carboxylique sur lesquels sont adsorbées des molécules d’eau. Les résultats montrent une influence à la fois de la température, du taux d’humidité et du type d’acide considéré sur le comportement global des agrégats. Par contre, il a été montré qu’un mélange binaire d’acides n’a que peu d’influence sur ce comportement. En second lieu, des techniques de simulation moléculaires quantiques, à la fois statiques et dynamiques, ont été appliquées à l’étude de la chloration de surfaces de suie, modélisées par de grands HAP, ainsi qu’à la caractérisation de leur affinité pour les molécules d’eau. Les résultats ont montré une forte propension de Cl, Cl2 et HCl à former des HAP chlorés à la faveur de la présence de défauts structurels. Ces structures chlorées présentent une forte hydrophilicité, ce qui pourrait expliquer la nature fortement hygroscopique de suies émises lors d’incendies industriels
In this PhD work, molecular simulation methods have been used in order to model, at the molecular scale, the interaction between carbonaceous aerosols andvarious atmospheric species. The aim wasto characterize the physico-chemical properties of these aerosols, which play a major role in climate forcing, in particular through their ability to act as cloud condensation nuclei.First, molecular dynamics techniques have been applied to determine the structure of carboxylic acid aggregates on which water molecules are adsorbed. The results of our simulations show an influence of the temperature, of the humidity and of the type of carboxylic acid considered on the global behavior of the aggregates. By contrast,a mixture of different types of acid molecules has no influence on this behavior. Secondly, quantum molecular simulation techniques have been applied to study the chlorination of soot surfaces, modeled by large PAHs, and their behavior with respect to water molecules adsorption. The results show a strong propensity of Cl, Cl2and HCl species to form chlorinated PAHsthanks to the presence of structural defects.These chlorinated structures show as trong hydrophilicity, which may explain the strong hygroscopic nature of soots emitted by industrial fires

"La pollution de l'air devient de plus en plus un sujet d'actualité. Il est devenu nécessaire de comprendre les causes et les conséquences de cette pollution. Ce travail de thèse s'intègre totalement dans cette thématique. Une introduction dresse un tableau des principaux processus atmosphériques, et des méthodes de calculs quantiques ou classiques utilisées. Ce travail de thèse comporte tout d'abord une contribution à la réalisation du logiciel KISTHEP pour le calcul de propriétés thermodynamiques, à partir de données issues de calculs ab initio. Ensuite, une étude concernant une des voies de dégradation atmosphérique de l'acétone (réaction avec le radical OH) est présentée. Cette étude a pour but de contribuer à la réalisation d'un modèle cinétique impliquant un grand nombre de processus réactionnels couplés. Le comportement " non-Arrhénius " de cette réaction laissait supposer la concurrence de plusieurs voies de dégradation. Enfin dans une dernière partie, une étude concernant la capture de Composés Organiques Volatils par une goutte d'eau a été effectuée. La présence de gouttes d'eau troposphériques entraîne une chimie de type multiphasique. Cette chimie est encore mal connue. Ce travail a consisté à importer et à tester les logiciels nécessaires au calcul du coefficient ''d'accommodation'' massique"
The air pollution becomes more and more a topical question. It is now necessary to understand the causes and the consequences of this pollution. This PhD's work becomes integrated in this filed. An introduction shows the main atmospheric processes, and quantum or classical calculation methods which are used. First, this PhD's work includes a contribution to the writting of the KISTHEP software for thermodynamic properties calculations, which are computed from ab initio calculations. Then, a study concerning one of the acetone atmospheric decomposition pathway (reaction with the OH radical) is presented. The purpose of this study is to contribute to the development of a kinetic model implying a great number of coupled reactional processes. The " non-Arrhenius " behaviour of this reaction suggested the competition of several degradation pathways. Finally in a last part, a study concerning the uptake of Volatil Organic Compounds by a water droplet was carried out. The presence of water droplets in the troposphere involves a multiphasic chemistry. This chemistry is still badly known. This work consisted in importing and testing the softwares necessary to the calculation of mass accommodation coefficient

Comme en météorologie et en océanographie, l'assimilation de données permet de combiner de façon optimale les modèles décrivant l'évolution de la composition chimique et la variété des observations disponibles. Elle est utilisée dans ce travail pour caractériser les distributions de l'ozone (O3) et du protoxyde d'azote (N2O) dans le but d'en tirer une information sur les phénomènes couplés de chimie et de dynamique dans la région de la haute troposphère et basse stratosphère (UTLS). Ce travail s'appuie sur deux outils complémentaires à Météo-France : l'un est basé sur le modèle global de chimie-transport MOCAGE et le logiciel d'assimilation multi-méthodes PALM du CERFACS exploité pour mettre en oeuvre une méthode d'assimilation variationnelle 3D-FGAT; l'autre est une extension du système opérationnel d'assimilation météorologique ARPEGE utilisant la méthode variationnelle incrémentale 4D-Var. D'une part, les champs assimilés (analyses de MOCAGE-PALM) sont utilisés pour l'étude de la chimie et la dynamique stratosphérique polaire ainsi que pour le suivi du transport méridien et des échanges entre la troposphère et la stratosphère. D'autre part, l'assimilation couplée chimie-dynamique dans ARPEGE est utilisée pour évaluer l'impact dynamique des observations d'ozone dans la région de l'UTLS
As in meteorology and oceanography, data assimilation combines in an optimal way chemistry-transport models and observations. In this work, the assimilation of remote-sensing chemical measurements of ozone (O3) and nitrous oxide (N2O) aims at better characterizing their three-dimensional distributions. The objective is to get insight into the coupled chemical and dynamical phenomena in the upper troposphere - lower stratosphere (UTLS). This work uses two complementary tools in Météo-France: one is based on the three dimensional chemistry and transport model MOCAGE and the PALM software of CERFACS using the 3D-FGAT variational technique; the other is an extension of the operational suite of the numerical weather prediction ARPEGE using the 4D-Var variational technique. On one hand, the assimilated fields (MOCAGE-PALM analyses) are used for the study of the polar stratospheric chemistry and dynamics and also for the meridional transport and stratosphere-troposphere exchanges. On the other hand, the chemistry-dynamics coupled assimilation in ARPEGE is used to assess the dynamical impact of ozone observation in the UTLS region

Les circulations locales des masses d'air jouent un rôle primordial sur la qualité de l'air en zone côtière, urbaine et industrielle. La compréhension de la dynamique de la basse troposphère est nécessaire à la prévision des épisodes de pollution atmosphérique. Dans ce contexte, la combinaison de dispositifs de télédétection et de stations de mesure au sol, apporte une meilleure compréhension de la structure et de la dynamique de la basse troposphère au cours d'évènements météorologiques locaux. La campagne ESCOMPTE a pu documenter les émissions polluantes, la dynamique et la chimie de l'atmosphère de la région de Marseille-Berre afin de tester et de valider les modèles de pollution, en les confrontant aux données expérimentales au sol, aéroportées et par télédétection (lidar UV et IR, radar UHF, sodar). Le lidar de l'Université du Littoral-Côte d'Opale a mesuré la distribution verticale de l'ozone et de l'extinction à proximité de Marseille, zone soumise aux influences de la côte, du relief et de la zone urbaine dense. L'analyse de la structure fine de la stratification complexe observée au cours d'épisodes de pollution photochimique, a mis en évidence un mécanisme de confrontation de brises déterminant pour la couche limite urbaine et le transport des polluants. Dans le cas de la zone littorale fortement industrialisée de la région Nord-Pas-de-Calais, l'analyse de la dynamique de la basse troposphère par le lidar UV, un sodar et des stations de mesure au sol, au cours d'évènements de brise de mer, a permis de déterminer de manière fine la structure verticale de la brise, son évolution temporelle ainsi que son impact sur la dispersion horizontale et verticale des polluants
The circulations of local air masses play a primordial role on the air quality in coastal, urban and industrial areas. The understanding of the lower troposphere dynamic is necessary to predict atmospheric pollution events. In this context, the combination of remote sensing devices aund ground stations gives a better understanding of the structure and dynamic of the lower troposphere during local meteorological events. The ESCOMPTE campaign was able to characterise polluants emission, dynamic and the atmospheric chemistry composition of Marseille-Berre region in order to test and validate photochemical models by the comparison of experimental data set obtained at ground level, from airborne measurement platform and by ground based remote sensing devices ( UV and IR lidar, UHF radar, sodar). The lidar of the University du Littoral-Côte d'Opale measured the vertical distribution of ozone and extinction coefficient near Marseille which is influenced by the coastline, the relief and the dense urban area. The analysis of the fine structure of the complex stratification observedduring photochemical pollution events, highlighted the importance of the confrontation between the sea breezes, influencing the urban boundary layer pollutant transport. The sea breeze of the highly industrialised coastline of the Nord-Pas-de-Calais region was characterised by the use of the UV lidar, a sodar and ground based measurements. This permitted the determination of the sharp vertical structure and the temporal evolution of the sea breeze demonstrating its influence on the vertical and horizontal pollution dispersion

Jupiter possède une atmosphère extrêmement dynamique caractérisée par des courants-jets alternés, une activité convective intense et un jet équatorial en super-rotation : autant de phénomènes dont les mécanismes de formation restent mal connus. Dans cette thèse nous cherchons à mieux cerner ces mécanismes grâce à la modélisation numérique de la couche météorologique de Jupiter. Pour cela nous utilisons le modèle global de climat DYNAMICO-giant qui a permis pour la première fois de simuler l'écoulement atmosphérique à haute résolution spatiale tout en le forçant avec un transfert radiatif réaliste. Afin d'enrichir la représentation des forçages de l'écoulement dans notre modèle, nous avons adapté le "modèle du thermique", une paramétrisation terrestre de la convection humide, au cas de Jupiter. Nos simulations reproduisent alors spontanément des caractéristiques essentielles de l'atmosphère de Jupiter y compris des jets alternés, un écoulement zonostrophique et une cascade inverse d'énergie traduisant le forçage des jets par la turbulence de moyenne échelle. En revanche, la simulation d'un jet équatorial en super-rotation n'est pas systématique et semble nécessiter la présence d'une activité convective suffisamment humide. Les résultats optimaux sont obtenus pour une abondance atmosphérique en eau de Jupiter proche de celle mesurée récemment par la mission Juno
The extremely dynamic atmosphere of Jupiter is characterised by alternated jets, a strong convective activity and an equatorial super-rotation whose formation mechanisms are poorly understood. In this thesis, we adopt a numerical modelling approach of the jovian weather layer to investigate those formation mechanisms. We use the global climate model DYNAMICO-giant which allows for simulating the atmospheric flow at high resolution with a realistic radiative transfer. In order to improve our model by way of more realistic forcings of the flow, we adapted the "thermal plume model", a terrestrial parametrization of the moist convection, to Jupiter's atmosphere. Thus our simulations recreate spontaneously some of the most essential features of the jovian atmosphere such as alternated jets, the zonostrophic regime of the flow and an inverse cascade of energy which shows jets forcing by the mesoscale turbulence. On the other hand, an equatorial superrotation is not systematically reproduced and seems to require a sufficiently high water atmospheric abundance. Optimal results are obtained for a jovian atmospheric abundance of water close to the one which was measured by the Juno mission

L'aviation civile connaît depuis maintenant plusieurs années et principalement dans les pays développés une croissance hors normes. Celle-ci s'accompagne malheureusement d'une augmentation des nuisances associées, dont parmi les plus préoccupantes, les émissions qualifiées de "polluantes". L'avion comme tout véhicule propulsé par un système à combustion émet des résidus divers tels que du dioxyde de carbone, des oxydes d'azote et de soufre, de l'eau etc. L'intérêt porté à ces émissions gazeuses, notamment dans le cadre du médiatique "effet de serre" tend pourtant à masquer des conséquences moins directes, comme les effets potentiels des aérosols formés dans les panaches (les traînées de condensation par exemple). Les basses températures rencontrées aux altitudes typiques de vol provoquent effectivement une condensation rapide de certaines espèces en phase gazeuse qui, dans un panache en expansion, sont susceptibles de former de nouvelles particules ayant potentiellement un impact chimique et radiatif susceptible de bouleverser l'équilibre local de la basse stratosphère et de la haute troposphère. Afin de déterminer les caractéristiques de ces particules et d'en favoriser les prédictions, les multiples processus de formation et d'évolution d'aérosols (nucléation, croissance etc. ) ont été considérés dans un modèle numérique, basé sur des mécanismes de collision. Le système étudié a été simplifié au cas d'un mélange binaire gazeux formé d'eau, d'acide sulfurique et d'un aérosol primaire (suies). Le modèle a ainsi été appliqué aux panaches d'avions réels (le Concorde par exemple) mais aussi à une simple chambre de combustion montée sur un banc d'essai expérimental. Les résultats, provenant notamment de nombreuses études de sensibilité, devraient permettre d'une part d'améliorer notre compréhension des phénomènes microphysiques et d'autre part de contribuer à établir des corrélations entre la nature des émissions aériennes et leurs impacts sur l'équilibre atmosphérique
Civil aviation has known for years and mainly in the developed countries an exceptional growth. This one has unfortunately been followed by an increase in the associated harmful effects, especially polluting emissions. Aircraft as any vehicle propelled by a system with combustion emits various residues such as carbon dioxide, nitrogen and sulphur oxides, water etc. The main interest carried to these gas emissions, in particular within the framework of "the greenhouse effect" studies tends to mask less direct consequences, in particular the potential effects of the aerosols formed in plumes. The low temperatures reached at typical altitudes of flight (approximately 10000 m) cause indeed a fast condensation of certain species in gas phase which, in an expanding plume, are likely to form new particles having potentially chemical and radiative impacts which could modify the stratospheric equilibrium. In order to determine the features of these particles (size distribution, concentration etc. ) and to make predictions, the main processes of formation and evolution of aerosols (nucleation, growth etc. ) have been considered in a model, based on collision mechanisms. The system we have studied has been simplified by considering a gas phase water and sulphuric acid binary mixture and a primary aerosol (soot particles). The model has thus been applied to real aircraft plumes (Concorde for instance) but also to a combustion chamber on a test rig. The results, coming in particular from many sensitivity studies, should improve our understanding of the microphysical processes occurring in a plume and should also make us contribute to establish correlations between aircraft emissions and their impacts on the atmospheric equilibrium

Cette thèse porte sur l'étude des atmosphères de Titan et de la Terre primitive avec des modèles de circulation générale (GCM). Tout d'abord, j'ai analysé la structure thermique et la dynamique de la basse troposphère de Titan. Cette étude a abouti à une caractérisation complète de la couche limite et a révélé l'existence d'une circulation de couche limite, qui impacte tous les aspects de la météorologie titanienne (régimes de vents, ondes, formation des dunes et des nuages, échanges de moment cinétique et superrotation). A partir de cette analyse, j'ai proposé une nouvelle hypothèse pour expliquer l'orientation vers l'est des dunes de Titan grâce à un couplage entre les orages tropicaux et la superrotation. Ceci a été validé par des simulations méso-échelles et a permis de proposer un schéma global expliquant la formation des dunes et leurs différentes caractéristiques. J'ai ensuite participé au développement d'un GCM générique, conçu pour étudier tout type d'atmosphère. Je l'ai appliqué aux paléoclimats de Titan pour simuler une période où l'atmosphère a pu être dépourvue de méthane. Dans ce cas, le climat devait être différent d'aujourd'hui avec potentiellement des conséquences géologiques fondamentales notamment pour l'érosion et l'âge de la surface. Finalement, j'ai appliqué ce GCM générique au cas de la Terre primitive. J'ai montré que, malgré un soleil moins lumineux qu'aujourd'hui et des quantités de gaz à effet de serre contraintes par les archives minéralogiques, le climat de la Terre Archéenne a pu être tempérée. En particulier, grâce à une rétro-action nuageuse, la Terre aurait pu éviter une glaciation globale et rester propice au développement de la vie
This thesis focuses on the study of the atmospheres of Titan and the early Earth with Global Climate Models (GCM). First, I analysed the thermal structure and the dynamics of Titan's lower troposphere. This analysis allowed a full caracterization of the planetary boundary layer and revealed the existence of a boundary layer circulation which impacts every aspect of Titan's weather (wind patterns, atmospheric waves, dune and cloud formation, exchange of momentum with the surface, and development of the superrotation). Thanks to this study, I proposed a new hypothesis to explain the eastward orientation of Titan's dunes that implies a coupling between tropical storms and the superrotation. This has been validated with mesoscale simulations and provided a general framework to explain Titan's dune formation and features. Then, I participated to the development of a generic GCM, designed to study any kind of atmosphere. I applied it to Titan's paleoclimates, when the atmosphere was depleted of methane. In such a case, the climate should have been different from today, with potentially fundamental geological consequences, in particular for the erosion and the age of the surface. Finally, I applied this GCM to the case of the early Earth using greenhouse gas abundances constrained by mineralogical data. I showed that despite a weaker solar insolation, the Archean Earth's climate may have been temperate. In particular, the Earth may have avoided a full glaciation and remained suitable for the development of life thanks to cloud feedback, even assuming a amount of CO2 just a little larger than today

Le rôle joué par la stratosphère sur le climat est aujourd'hui avéré. Le couplage du système troposphère-stratosphère implique que les processus dynamiques de grande amplitude de la moyenne atmosphère perturbent l'équilibre atmosphérique et l'écoulement dans les plus basses couches. Parmi ces phénomènes dynamiques, les échauffements stratosphériques soudains sont les plus emblématiques. Cette étude s'intéresse à l'impact de ces événements sur la variabilité de la moyenne atmosphère et sur l'estimation des tendances de température. Nous cherchons également à mieux caractériser l'évolution spatio-temporelle des échauffements stratosphériques, depuis leurs causes jusqu'à leurs conséquences. Tout d'abord, une méthodologie novatrice d'analyse statistique de séries temporelles est développée et testée sur des mesures lidar de l'Observatoire de Haute-Provence. L'impact des événements dynamiques les plus importants peut ainsi être efficacement isolé de la contribution radiative de fond, ce qui explique les différences observées entre l'été et l'hiver. Ensuite, une simulation du Canadian Middle Atmosphere Model nous permet de valider la méthodologie et d'étendre notre étude à l'ensemble du globe. On montre que les variations spatiales sont elles aussi majoritairement causées par l'activité dynamique. Les conditions de formation d'un échauffement stratosphérique sont également étudiées, à l'aide de tests de sensibilité du modèle RACCORD. On prouve l'importance du rappel vers la météorologie pour produire un échauffement majeur, particulièrement dans le cas d'une rupture du vortex. Enfin, la méthode et nos résultats sont mis à profit dans une analyse de l'hiver 2012-2013.

Cette etude est une analyse experimentale des causes de forcage des circulations ageostrophiques dans les systemes jet-fronts, c'est-a-dire les systemes dynamiques constitues dans la haute troposphere par un maximum de courant-jet et un front d'altitude. Les circulations ageostrophiques associees a ces systemes sont a l'origine de processus encore mal connus tels que les processus de couplage dynamique entre la haute et la basse troposphere et les processus de foliation de tropopause donnant lieu a des echanges stratosphere-troposphere. L'analyse des termes de forcage des circulations ageostrophiques transverses et longitudinales au flux, induites respectivement par les effets inertiels et ceux de courbure, est obtenue par decomposition des champs ageostrophiques dans le repere naturel du vent total au niveau 300 hpa. Les donnees utilisees sont celles des analyses numeriques du modele du centre europeen de prevision meteorologique a moyen terme, ainsi que du modele peridot de la meteorologie nationale francaise pour 3 journees consecutives de la campagne experimentale fronts 84. L'etude experimentale est completee par des analyses isentropes dans des coupes transverses au courant-jet en utilisant les radiosondages du reseau synoptique, et par une detection des foliations de tropopause en utilisant les donnees satellitaires du canal vapeur d'au de meteosat 2 et de contenu en ozone total de l'atmosphere du spectrometre toms de nimbus 7. L'etude met en evidence plusieurs circulations ageostrophiques transverses indirectes interessant toute l'epaisseur de la troposphere, en accord avec des schemas conceptuels recents deduits d'une analyse des termes de forcage geostrophique de l'equation diagnostique de sawyer-eliassen. Dans les zones de courbure du flux, il est montre que la circulation ageostrophique dominante est la circulation longitudinale forcee par le terme d'advection de courbure. L'analyse conj

La composition chimique de la troposphère et ses évolutions futures sont au centre des questions liées au changement climatique et à la pollution atmosphérique. Améliorer notre compréhension des processus physico-chimiques dans la troposphère nécessite une synergie entre modèles et observations. Une telle approche est notamment mise en place à travers les campagnes de mesures intégrées telles que le programme INDOEX (INdian Ocean EXperiment) qui a constitué le cadre des études numériques réalisées au cours de cette thèse. Ces études des processus de chimie-transport se sont articulées autour de deux thèmes : l'étude de la structure des panaches de polluants expulsés du continent Indien sur l'Océan et l'étude de l'impact de la convection profonde sur l'ozone troposphérique. J'ai utilisé un modèle météorologique à méso-échelle (RAMS) pour comprendre le rôle et les interactions de la dynamique côtière et des flux synoptiques sur la formation des panaches de polluants. Ces simulations ont permis de reproduire finement la stucture de ces panaches à partir de traceurs passifs, et de mettre en évidence le rôle prépondérant de la dynamique locale sur la répartition spatiale (verticale) et temporelle des polluants issus du continent. Par ailleurs, j'ai évalué l'impact de la convection profonde sur l'ozone et ses précurseurs, en présence des masses d'air polluées d'origine continentale. On a développé un modèle de chimie-transport régional basé sur le modèle RAMS qui permet de représenter explicitement et de façon simultanée les processus convectifs et chimiques en phase gazeuse et aqueuse. Le modèle couplé a été testé et a démontré un comportement général satisfaisant. J'ai montré un fort impact du transport au niveau régional et sur l'ensemble de la colonne troposphérique pour le CO, l'ozone et ses précurseurs et aussi la nécessité de prendre en compte la production de NOx par les éclairs pour améliorer la représentation de l'ozone en région tropicale

Dans le contexte du réchauffement et du changement climatique, il est important d’étudier les distributions, les cycles saisonniers et les tendances des gaz à l’état de trace dans l’atmosphère tels que la vapeur d’eau. L'Observatoire de Physique du Globe de Clermont-Ferrand a en charge plusieurs dispositifs d’observation dont le site instrumenté Cézeaux, Opme et Puy de Dôme (CO-PDD) situés dans le centre de la France (45◦ N, 3◦ E). Le site des Cézeaux dispose d’un LIDAR Rayleigh – Mie - Raman fournissant en routine des profils verticaux de vapeur d’eau et de paramètres optiques caractérisant les cirrus. Le site du puy de Dôme est équipé d’un spectroscope à cavité optique (CRDS-Picarro). Des mesures de colonnes totales de vapeur d’eau sont disponibles sur tous ces sites par GPS. Le site d’Opme est équipé d’un pluviomètre. Enfin Météo-France effectue le travail de contrôle qualité des données météorologiques sur les stations de mesure en France et ces données ont été utilisées dans cette thèse. La validation des données sur le site du puy de Dôme a été la première la première exploitation dans cette thèse. Des comparaisons des données sur le puy de Dôme ont montré un très bon accord entre les données de vapeur d’eau extraites de la station météorologique du puy de Dôme, de Météo France et les donnes CRDS du puy de Dôme, avec une corrélation de 0.94 et 0.98 respectivement. Les profils verticaux obtenus par LIDAR ont permis de sélectionner une anomalie de vapeur d’eau et d’identifier une intrusion stratosphère-troposphère en analysant les processus dynamique associés à cette anomalie. Les données OLR ont montré que cette intrusion est accompagnée de convection profonde et enfin LACYTRAJ confirme l'origine stratosphérique d’une partie de la masse d'air présente au-dessus de Clermont-Ferrand au cours de l’anomalie. Les longues séries d’observations (ex : Puy de Dôme 1995-2015) et des ré-analyse ECMWF ERA-Interim (1979-2017) et la diversité des sources de données (ex : satellites AIRS et COSMIC), nous permettent de documenter, analyser et comparer la variabilité, les cycles et la tendance de la vapeur d'eau à la surface et dans la troposphère, à différentes échelles de temps et déterminer les processus géophysiques responsables des distributions de vapeur d'eau sur le site CO-PDD. Le cycle annuel de la vapeur d'eau est clairement établi pour les deux sites de différentes altitudes et pour tous les types de mesure. Les sites de Cézeaux et du puy de Dôme ne présentent presque aucun cycle diurne, suggérant que la variabilité de la vapeur d'eau à la surface sur ces deux sites est plus influencée par les systèmes météorologique sporadiques que par les variations diurnes régulières. Les données LIDAR montrent une plus grande variabilité mensuelle de la distribution verticale que les produits satellites COSMIC et AIRS. La colonne totale de vapeur d'eau GPS sur le site des Cézeaux présente une tendance positive (0,42 ± 0,45 g/kg*décade entre 2006-2017). L'analyse par régressions multi-linéaires montre que les forçages continentaux (East Atlantic, East Atlantic-West Russia) ont une plus grande influence que le forçage océanique (Nord Atlantic Oscillation) sur les variations de vapeur d'eau
In the context of global warming and climate change, it is important to study the distributions, seasonal cycles and trends of trace gases in the atmosphere such as water vapor. of the Observatoire de Physique du Globe de Clermont-Ferrand is in charge of several observation devices including the instrumented site Cézeaux, Opme and Puy de Dôme (CO-PDD) located near the center of France (45◦ N, 3◦ E). The site of Cézeaux is instrumented by a Rayleigh - Mie–LIDAR Raman providing routine vertical profiles of water vapor mixing ratio and optical parameters characterizing cirrus clouds. The puy de Dôme site is equipped with an optical cavity spectroscope (CRDS-Picarro). Measurements of total water vapor columns are available on all these sites by GPS. The Opme site is equipped with rain gauges. Finally, Météo-France performs the quality control work and of data on meteorological stations in France and these data were used in this thesis. The validation of the puy de Dôme data was the first the first task in this thesis. Comparisons between the puy de Dôme data sets showed a very good agreement between the water vapor datafrom the OPGC meteorological station of Puy de Dôme, Météo France and CRDS data with a correlation of 0.94 and 0.98 respectively. The vertical profiles deduced from the LIDAR allowed to identify a water vapor anomaly and a stratosphere-troposphere intrusion associated with this anomaly. OLR data showed that this intrusion could be linked with deep convection and LACYTRAJ confirms the stratospheric origin of a part of the air mass present above Clermont-Ferrand. Long series of observations (eg Puy de Dôme 1995-2015) and ECMWF ERA-Interim re-analysis (1979-2017) and the diversity of data sources (eg AIRS and COSMIC satellites), allowed us to document, analyze and compare the variability, cycles and trend of surface and tropospheric water vapor at different time scales and determine the geophysical processes responsible for water vapor distributions at the site of CO-PDD. The annual cycle of water vapor is clearly established for the two sites of different altitudes and for all types of measurement. Cézeaux and puy de Dôme present almost no diurnal cycle, suggesting that the variability of surface water vapor at this site is more influenced by a sporadic meteorological system than by regular diurnal variations. The LIDAR dataset shows a greater monthly variability of the vertical distribution than the COSMIC and AIRS satellite products. The Cézeaux site presents a positive trend for the GPS water vapor total column (0.42 ± 0.45 g/kg*decade during 2006–2017) and a significant negative trend for the surface water vapor mixing ratio (−0.16 ± 0.09 mm/decade during 2002–2017). The multi-linear regression analysis shows that continental forcings (East Atlantic Pattern and East Atlantic-West Russia Pattern) have a larger influence than oceanic forcing (North Atlantic Oscillation) on the water vapor variations

Le printemps austral dans l'hémisphère sud présente des réductions temporaires de la teneur en ozone principalement dans la région antarctique connue sous le nom de trou d'ozone antarctique (AOH). Cependant, des études montrent une influence dans les régions de latitude moyenne, comme le sud du Brésil, où des jours avec des diminutions temporaires de la colonne d'ozone totale (COT) sont identifiés. L'objectif principal de cette thèse est d'étudier cette influence de l'AOH sur la région sud du Brésil, en utilisant les données de la colonne d'ozone totale et des profils verticaux qui aideront à identifier la hauteur préférentielle à laquelle ces diminutions se produisent dans le sud du Brésil, en plus à analyser le comportement dynamique de l'atmosphère lors de ces événements dans la période de 42 ans de données (1979-2020). La méthodologie utilisée comprend l'analyse des données quotidiennes moyennes de la colonne totale d'ozone à travers des instruments de surface (spectrophotomètre Brewer), des données satellitaires (TOMS et OMI), et de comparer les données de réanalyse de l'ECMWF-ERA5, pour l'identification des événements d'influence de l'AOH sur la région sud du Brésil. L'analyse du contenu vertical des données O3 du satellite TIMED/SABRE fournit des données quotidiennes de 15 a 105 km d'altitude et dispose de 17 années de profils O3 disponibles sur la période de 2002 à 2018. La validation de ces données était nécessaire, et pour cela le réseau SHADOZ de mesures de sondes d'ozone a été utilisé pour effectuer cette validation à travers la saison tropicale au Natal/RN comme référence. Cette validation a montré un bon accord entre les deux instruments, permettant l'utilisation de SABER pour l'analyse des événements d'influence AOH. À partir de là, 102 événements ont été identifiés qui ont influencé Santa Maria/RS avec une diminution temporaire de la teneur en O3 au cours de la période, et avec une chute moyenne entre 24 et 28,1 km d'altitude. Dans l'analyse dynamique, les champs stratosphériques ont montré une augmentation du tourbillon potentiel dans la moyenne des événements, principalement dans les mois de septembre et octobre. Dans la dynamique de la section verticale de l'atmosphère, la présence constante de jets stratosphériques et troposphériques dans la moyenne des événements, indique une forte influence que ces systèmes ont lors de l'occurrence des événements à effet secondaire AOH sur Santa Maria/RS
The austral spring in the Southern Hemisphere presents temporary reductions in ozone content mainly in the Antarctic region known as the Antarctic Ozone Hole (AOH). However, studies show an influence in mid-latitude regions, such as southern Brazil, where days with temporary decreases in the total ozone column (TCO) are identified. The main objective of this thesis is to investigate this influence of AOH on the southern region of Brazil, using data from the total ozone column and vertical profiles that will help to identify the preferential height at which these decreases occur in southern Brazil, in addition to analyzing the atmospheric dynamic behavior during these events in the period 42 years of data (1979 to 2020). The methodology used comprises the analysis of average daily data of the total column of ozone through surface instruments (Brewer Spectrophotometer), satellite data (TOMS and OMI), and to compare reanalysis data from the ECMWF-ERA5, for the identification of events of influence of the AOH on the southern region of Brazil. The analysis of the vertical content of O3 data from the TIMED/SABER satellite provides daily data from 15 to 105 km in height and has 17 years of O3 profiles available in the period from 2002 to 2018. The validation of these data was necessary, and for that the SHADOZ network of ozonesondes measurements was used to carry out this validation through the tropical season in Natal/RN as a reference. This validation showed a good agreement between the two instruments, enabling the use of SABER for the analysis of AOH influence events. From this, 102 events were identified that influenced Santa Maria/RS with a temporary decrease in O3 content during the period, and with an average drop between 24 - 28.1 km in altitude. In the dynamic analysis, the stratospheric fields showed an increase in the potential vorticity in the average of the events, mainly in the months of September and October. In the dynamics of the vertical section of the atmosphere, the constant presence of stratospheric and tropospheric jets in the average of the events, indicates a strong influence that these systems have during the occurrence of the AOH secondary effect events on Santa Maria/RS
A primavera austral no Hemisfério Sul apresenta reduções temporárias do conteúdo de ozônio principalmente na região Antártica conhecida como Buraco de Ozônio Antártico (AOH). Porém, estudos mostram uma influência sob regiões de médias latitudes, como o Sul do Brasil, onde são identificados dias com diminuições temporárias da coluna total de ozônio (CTO). Com isso, o objetivo principal dessa tese é investigar essa influência do AOH sobre a região sul do Brasil, utilizando dados da coluna total de ozônio e de perfis verticais que vão ajudar a identificar a altura preferencial em que essas diminuições ocorrem no sul do Brasil, além de analisar o comportamento dinâmico atmosférico durante esses eventos no período 42 anos de dados (1979 a 2020). A metodologia utilizado compreende a análise de dados médios diários da coluna total de ozônio através de instrumentos de superfície (Espectrofotômetro Brewer), dados de satélites (TOMS e OMI), e para comparação dados de reanálise do ECMWF-ERA5, para a identificação de eventos de influência do AOH sobre a região Sul do Brasil. A análise do conteúdo vertical de O3 dados do satélite TIMED/SABER disponibilizam dados diários de 15 a 110 km de altura e possuem 17 anos de perfis de O3 disponíveis no período de 2002 a 2018. A validação desses dados se fez necessária, e para isso foi utilizada a rede SHADOZ de medidas de ozonesondes para realizar essa validação através da estação tropical em Natal/RN como referência. Essa validação apresentou uma boa concordância entre os dois instrumentos, viabilizando o uso do SABER para as análises dos eventos de influência do AOH. A partir disso, foram identificados 102 eventos que influenciaram Santa Maria/RS com diminuição temporária no conteúdo de O3 durante o período, e com queda média entre 24 e 28,1 km de altitude. Nas análises dinâmicas os campos estratosféricos mostraram o aumento da vorticidade potencial na média dos eventos, principalmente nos meses de setembro e outubro. Na dinâmica do corte vertical da atmosfera a presença constante dos jatos estratosféricos e troposféricos na média dos eventos, indica forte influência que esses sistemas possuem durante a ocorrência dos eventos de efeito secundário do AOH sobre Santa Maria/RS

L'objet de cette etude est d'analyser a l'aide d'un modele 3d hydrostatique a equations primitives un cas d'interaction synergetique entre les circulations ageostrophiques associees a une sortie de jet-streak et a un front froid et son jet de basses couches. Les resultats des simulations avec et sans prise en compte es processus de liberation de chaleur latente fournissent le support a une analyse diagnostique realisee en post-traitement. La premiere partie precise la position et l'evolution des fronts et quantifie, par examen detaille de la fonction de frontogenese, les differents mecanismes en jeu, enfin etablit un rapport direct entre les processus de liberation de chaleur latente et la modification du champ de vent en basse troposphere. La seconde partie est consacree a l'etude du couplage entre haute et basse troposphere au travers de la decomposition du vent ageotrophique en coordonnees naturelles et isentropes. Dans un premier temps, la circulation ageostrophique transverse indirecte (d'echelle synoptique) accelere la formation de developpements convectifs intenses dans sa branche ascendante (la branche basse de cette circulation essentiellement isallobare favorise le transport de chaleur et d'humidite vers la region de convection et conduit a l'apparition d'une ondulation du front). Dans un second temps, les composantes diabatiques du vent ageostrophique (isallobare et diabatique inertielle) contribuent a la genese d'energie cinetique en aval et sur le cote cyclonique du jet streak et conduisent a un ajustement des vitesses de groupe des systemes jet-front. Une interaction retroactive des processus diabatiques de moyenne echelle modifie la dynamique du jet d'altitude et augmente sa courbure cyclonique afin de retablir l'equilibre entre champs de vent et de masse. Un schema conceptuel de formation de l'ondulation frontale et de la bande pre-frontale est propose

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 extra-tropiques 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 extra-tropical 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.