Dissertations / Theses on the topic 'Lidar – Météorologie'

La mesure de vent a distance par lidar doppler meteorologique presente un grand interet pour de nombreux domaines des sciences et des applications : variabilite climatique et bilan energetique, prevision meteorologique, pollution urbaine, securite aerienne, batiments et travaux publics, c'est dans ce cadre que le lmd/cnrs a developpe avec le soutien du cnes, les lidars doppler meteorologiques transportable (lvt) et aeroporte (wind) (en collaboration avec le dlr), et participe aux projets europeen et americain de lidar doppler spatial (aladin et sparcle). Le travail de these presente plusieurs facettes qui vont du traitement du signal, a l'exploitation geophysique des donnees de campagnes, en passant par les developpements methodologiques necessaires a la restitution des circulations atmospheriques et des flux turbulents. La these s'insere dans le cadre de travaux preparatoires a la mise en oeuvre de tels instruments dans des experiences internationales ou nationales comme map et esquif, et leur mise en place sur une plateforme spatiale.

Les systèmes de positionnement et de navigation par satellite (GNSS) ont connu un formidable essor au cours des deux dernières décennies au point d'être aujourd'hui un élément technologique universel. Le recours au positionnement précis par satellite est intégré à notre vie quotidienne: puces GPS intégrées dans les téléphones portables, systèmes de radionavigation utilisés pour le guidage d'engins agricoles, l'approche aérienne et maritime. Les stations GNSS déployées dans les réseaux géodésiques permanents participent au maintien des références géodésiques nationales et internationales et à la prévision météorologique. Ces applications scientifiques requièrent une mise en œuvre rigoureuse des équipements et un traitement sophistiqué des mesures. Une limitation de précision commune vient la présence d'erreurs dans les mesures dues à la traversée de l'atmosphère. L'amélioration des méthodes de correction de la propagation des signaux radiofréquence dans l'atmosphère a permis au cours des dix dernières années d'atteindre une précision sub-centimétrique en positionnement vertical et de faire des GNSS une technique de référence pour le sondage de la vapeur d'eau dans la troposphère. Ce manuscrit rassemble les résultats des recherches que j'ai développées au LATMOS et à l'IGN depuis une douzaine d'années dans le domaine du positionnement précis par GPS, de la télédétection de la vapeur d'eau atmosphérique par GPS et lidar Raman, et de l'étude du cycle de l'eau atmosphérique au moyen de systèmes d'observations et de modèles de prévision météorologique.

Sur un site multi-influencé par des émissions urbaines et industrielles, l'analyse de la pollution aux aérosols, au voisinage des sources, requiert une connaissance multi-échelles de la dynamique atmosphérique. une campagne de mesure a été développée afin d'étudier la variabilité météorologique et micro-météorologique et l'évolution des particules, en particulier, submicroniques, sur une durée d'une année. Des oscillations de la concentration en aérosols, autour de la moyenne régionale, ont été identifiées le long du littoral dunkerquois, et attribuées aux phénomènes météorologiques locaux à proximité des industries. Des méthodes de reconnaissance et d'apprentissage supervisé, faisant appel aux mesures par anémomètre ultrasonique et aux profils verticaux du vent par lidar Doppler, ont été mises en œuvre pour établir la variabilité de phénomènes pertinents dans les événements de pollution de l'air : brise de mer, brouillard, front et tempête. L'analyse d'une base de données de six ans a permis de montrer que l’occurrence annuelle des brises de mer est corrélée à celle du nombre de journées anticycloniques. Par ailleurs, la fréquence annuelle des brouillards pourrait être liée à la concentration annuelle régionale en aérosols. L'analyse des covariances du vent a révélé deux situations contrastées, à faible et à fort flux turbulents. Le brouillard et la brise de mer, de faible flux, génèrent une pollution élevée aux PM₁, et sont le siège d'une forte concentration en aérosols organiques oxygénés (aérosols secondaires). Les situations à fort flux, favorisant les échanges verticaux, sont associées à une forte variabilité des sulfates particulaires. L'observation de longue durée a permis de mettre en évidence la construction d'épisodes de pollution particulaire, au cours de séquences de phénomènes météorologiques locaux, du fait des sources locales, mais aussi par incorporation de la pollution à plus grande échelle
On a site that is multi-influenced by urban and industrial emissions, the analysis of aerosol pollution, in the vicinity of sources, requires a multi-scale knowledge of atmospheric dynamics. A measurement campaign was developed in order to study the meteorological and micro-meteorological variability and the evolution of particles, in particular, submicronic evolution, during a one-year period.Oscillations of the aerosol concentration around the regional average were identified along the Dunkirk coastline, and were attributed to the local meteorological phenomena close to the industries. Recognition and machine learning methods using measurements by an ultrasonic anemometer and vertical wind profiles by a Doppler lidar, were implemented to define the variability of relevant phenomena in air pollution events : sea breeze, fog, front and storm. A six-years database analysis has highlighted a correlation between the annual sea breeze occurrence and the annual number of anticyclonic days. Furthermore, the annual fog frequency could be connected with the annual regional concentration of aerosols. Analysis of wind covariance revealed two contrasting situations, low-level and high-level turbulent fluxes. The fog and the sea breeze, with low-level fluxes, generate a high PM₁ pollution and are in favor of a high organic oxygenated aerosols concentration (secondary aerosols). High-level fluxes situations, favoring vertical exchanges, are associated with a large variability of sulfate aerosols. The long-term observation, made it possible to highlight the development of episodes of particulate pollution during local weather phenomena, owing to the local emissions, but also by taking into account the larger-scale pollution

Les cirrus sont des nuages de la haute troposphère. Leur influence sur le bilan radiatif de la terre est significative; sachant qu'ils couvrent en permanence le cinquième du globe. D'où la nécessité de connaître leurs propriétés optiques et physiques qui seront utiles pour les modèles climatiques. Le but principal de ce travail est l'étude de ces propriétés par télédétection optique lidar et radio métrique. Les méthodes d'inversion potentielle des mesures lidar dont nombreuses. Il s'est agi pour nous de tester ces méthodes en vue de trouver celle qui convient à l'étude des cirrus. La simulation des signaux lidar nous a permis non seulement de déterminer les performances et limitations des différents systèmes lidars utilisés, mais la comparaison des méthodes d'inversion. Des cas de cirrus liés à des phénomènes climatiques différents (aérojets, systèmes frontaux), ont été étudiés afin de mieux comprendre les phénomènes de formation, maintenance et dissipation de ce type de nuages

Les nuages montrent des variabilités tridimensionnelles complexes (3D) dans leurs propriétés géométriques, optiques et microphysiques horizontales et verticales. Généralement et pour des raisons pratiques, les nuages sont supposés être homogènes et parallèles dans les algorithmes de calcul du signal lidar/radar (problème direct) et dans les algorithmes de récupération des propriétés des nuages (problème inverse). L'objectif de ce travail est d'évaluer les effets de l'hétérogénéité des nuages et de la diffusion multiple sur des caractéristiques mesurées directement par le lidar/radar, nous ne traitons que les sources d'erreurs liées au problème direct. Nos évaluations sont basées sur l'échantillonnage aléatoire et sur la comparaison entre les profils moyens des nuages 3D et des nuages 1D équivalents plan-parallèles. Nous avons développé et validé un outil à cet effet. Le simulateur lidar/radar/radar Doppler (McRALI). Il est basé sur le modèle 3DMCPOL (Cornet et al., 2010). Les nuages 3D utilisés sont générés par le générateur de champs de nuages 3D (3DCLOUD_V2) (Szczap et al., 2014). Les comparaisons avec des publications et des codes de référence, ont montré de bonnes cohérences entre le code McRALI et les résultats publiés. On a étudié les effets de l'hétérogénéité 3D des nuages sur trois échelles 333 m, 1 km et 5 km. Les résultats obtenus ont montré que les biais sur le coefficient de rétrodiffusion β, sur le coefficient de rétrodiffusion intégré γ et sur le facteur de dépolarisation δ augmentent avec l’augmentation de l’échelle et l’épaisseur optique. L’étude sur un nuage de type cirrus de cristaux de glace plaquette ont montré que les profils moyens de β ainsi que de γ sont statistiquement égaux à l’échelle de 333 m. Au contraire, à l’échelle de 1 km les biais sont statistiquement significatifs. Le biais sur δ est statistiquement significatif pour les deux échelles. Les tests sur les mesures de radar CPR Doppler EarthCARE ont montré qu’il y a un écart sur la vitesse Doppler mesuré proche de la discontinuité dans un nuage discontinu, cet écart dépond le degré de la discontinuité, les propriétés optiques et géométriques du nuage et la géométrie du système radar. Ce travail contribue à une meilleure compréhension des effets de l'hétérogénéité des nuages sur les caractéristiques mesurées directement par le lidar / radar
Clouds display complex three-dimensional (3D) variability in their horizontal and vertical geometric, optical and microphysical properties. Generally and for practical reasons, the clouds are supposed to be homogeneous and parallel in the algorithms for calculating the lidar / radar signal (direct problem) and in the algorithms for the retrieval of the properties of the clouds (inverse problem). The objective of this work is to evaluate the effects of cloud heterogeneity and multiple scattering on the characteristics measured directly by the lidar / radar. In this study, we only deal with the sources of errors related to the direct problem. Our assessments are based on random sampling and comparison between the average profiles of 3D clouds and 1D equivalent plane-parallel clouds. Therefore, we developed and validated a tool called the lidar / radar / Doppler radar simulator (McRALI). The latter tool is based on the 3DMCPOL model (Cornet et al., 2010). The 3D clouds, used in the current study, were generated by the 3D cloud field generator (3DCLOUD_V2) (Szczap et al., 2014). The tested McRALI code revealed good coherence with earlier published studies. We studied the effects of 3D cloud heterogeneity on three scales 333 m, 1 km and 5 km. The results obtained showed that the biases on the backscattering coefficient β, on the integrated backscattering coefficient γand on the depolarization factor δ increase with increasing the scale and the optical thickness. The study of a cirrus cloud of ice crystals showed that the average profiles of β as well as the γ are statistically equal to the 333 m scale. On the contrary, the biases are statistically significant at 1 km scale. The bias on δ is statistically significant for both scales. The tests carried out on the EarthCARE Doppler CPR radar measurements showed that there is a difference in the measured Doppler velocity close to the discontinuity in a discontinuous cloud. This difference is due to the degree of the discontinuity, the optical, the geometrical properties of the cloud and the geometry of the radar system. This work contributes to better understanding of the effects of cloud heterogeneity on the characteristics measured directly by the lidar / radar

Lorsqu'on parle de réchauffement climatique, on ne peut négliger les effets directs et indirects des nuages de glace non précipitants sur le bilan radiatif de notre planète. Ces nuages, pas assez documentés aujourd'hui, constituent le fond de commerce de cette thèse. Nous avons développé des méthodes radar et radar/lidar permettant de documenter les propriétés microphysiques et radiatives des nuages de glace non précipitants. A partir d'une de ces méthodes (la méthode radar : RadOn) nous avons établi et discuté une climatologie nuageuse au-dessus de trois sites Européens participant au projet européen CloudNET. Nous avons également comparé les résultats de cette climatologie avec la représentation des nuages dans quatre modèles de prévision européens. Tout ceci dans le cadre de la préparation des futures missions spatiales, CloudSat/Calipso et EarthCare
Regarding climate change, direct and indirect effects of the non precipitating ice clouds are essential contributors to the earth radiation balance. The cloud properties are however still not well documented. Therefore, during this PhD we have developed radar and radar/lidar methods in order to document the microphysical and radiative properties of the non precipitating clouds. Using the new radar method (RadOn) we have developed and discussed a cloud climatology over three European sites in the framework of the European CloudNET project. We have also compared the climatology results to the representation of clouds in four European weather forecast models. In the framework of the preparation of the future spatial missions, CloudSat/Calipso and EarthCare

Le travail de thèse s'organise en plusieurs parties. Le premier chapitre décrit le cadre scientifique dans lequel s'inscrit la thèse : branche atmosphérique du cycle du carbone, changement climatique et protocole de Kyoto, réseau de mesures actuel et principales missions spatiales. Ce chapitre montre notamment comment s'insèrent les différents aspects que j'ai traité pendant la thèse: modélisation, expérimentation et études théoriques dans le cadre plus général de la restitution des flux de surface et de la mesure du C02 atmosphérique. Au final, je m'intéresse plus particulièrement à l'apport scientifique et aux objectifs d'une mesure de C02 atmosphérique par Lidar DIAL à partir de l'espace. Dans le chapitre II, on s'intéresse au domaine d'étude et plus particulièrement à l'évolution du C02 atmosphérique à la méso-échelle. La représentativité temporelle horizontale et verticale d'une mesure de C02 est évaluée dans le but de cadrer l'étude expérimentale. Par ailleurs on y étudie les processus à l'origine de la variabilité du rapport de mélange dans les différentes parties de 1'atmosphère pour mettre au point une méthode de mesure efficace permettant de rendre compte des phénomènes observés. Nous verrons comment cc travail d'étude du C02 atmosphérique à la moyenne échelle a permis, entre autre, de mettre au point une méthode originale de restitution et de caractérisation des flux de surface naturels dans la région du Sud-Ouest parisien. Fort de cette étude et des objectifs de mesure décrits dans le chapitre I, le chapitre III discute la mesure DIAL avant d'en rechercher une optimisation pour obtenir le maximum de précision sur la mesure de concentration. Un soin tout particulier est porté à la spectroscopie, à l'optimisation de paramètre tels que l'épaisseur optique de la colonne d'air sondée et l'énergie des impulsions lasers émises dans l'atmosphère, et à l'analyse des erreurs statistiques et systématiques. Le chapitre IV décrit le système expérimental réalisé au Laboratoire de Météorologie dynamique pendant ces trois années: LIDIA. " Lidar pour la mesure du Dioxyde de carbone Atmosphérique ". Le Lidar DIAL Doppler a été conçu à partir d'un Lidar Doppler déjà existant au Service d'Aéronomie [Bruneau-00, Le Rille-02]. Le chapitre décrit le Lidar, les différentes transformations, les éléments ajoutés et les performances du système global dans le cadre des mesures DIAL. Un intérêt particulier est donné au traitement de signal. Suit alors la partie principale du travail de recherche avec la présentation et la discussion des résultats expérimentaux. Des mesures réalisées de jour et de nuit en fin d'année 2004 et pendant l'année 2005 y sont décrites pour illustrer les différentes possibilités d'une mesure DIAL pour répondre aux objectifs scientifiques décrits dans le chapitre I : mesures intégrées au niveau du sol et validation avec des mesures in-situ, mesures verticales dans la couche limite atmosphérique (CLA), utilisation des cibles nuageuses, mesures dans la troposphère libre et mesures résolues dans la CLA. Nous voyons notamment l'apport de mesures de vent et de vitesses verticales simultanées avec des mesures de concentration pour expliquer les processus naturels ou anthropiques à l'origine de la variation temporelle du rapport de mélange en CO2. Le dernier chapitre s'appuie sur le travail expérimental précédent pour prévoir les performances de futurs systèmes de mesure DIAL aéroporté ou spatial capable de répondre aux objectifs scientifiques à moyen et long terme. Différentes perspectives de travail pour l'amélioration du système expérimental et pour la conception d'un nouveau système y sont abordées. Enfin une conclusion permet de souligner et de rassembler les principaux résultats du travail de thèse.

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

Dans les zones côtières, l’industrie de l’énergie éolienne migre vers l’environnement marin, où de vastes espaces sont encore disponibles avec des conditions de vent plus fort et mieux contrôlé. L’environnement marin impose de nouveaux défis à une industrie éolienne pourtant bien établie. Il est impératif de prédire et de décrire avec précision la ressource éolienne en mer afin de concevoir des solutions techniques rentables. L’écoulement concerné est caractérisé par une couche limite atmosphérique (CLA), turbulente, où la dynamique de l’océan modifie considérablement l’écoulement atmosphérique par une capacité thermique plus élevée, et par des interactions vent-vagues complexes, importantes dans des situations assez courantes. Cette thèse passe en revue et étend les connaissances actuelles concernant les interactions vent-vagues dans la partie inférieure de la CLA Marine (CLAM), où elles peuvent être importantespour la caractérisation de la ressource éolienne. La CLAM est étudiée par des expériences physiques et numériques, afin de révéler le rôle des mouvements Induits par les Vagues (IV) transférés de la mer vers l’atmosphère. Grâce à l’utilisation d’expériences physiques et numériques complémentaires, de nouvelles perspectives sur les processus d’interaction vent-vague sont obtenues
In coastal areas, the wind energy industry migrates to the offshore environment, where huge spaces are still available in stronger and better behaved wind conditions. The offshore environment imposes new challenges to a well established wind energy industry. It is imperative to accurately predict and describe the offshore wind resource in order to design cost efficient solutions. The concerned flow is characterized by a turbulent Atmospheric Boundary Layer (ABL) where the ocean’s dynamics significantly alter the atmospheric flow through higher heat capacity and complex wind-wave interactions important in fairly common situations.So this Thesis reviews and extends the current knowledge regarding Wind-Wave interactions in the lower part of the Marine ABL (MABL), where they are possibly significant in the characterization of the wind resource. The MABL is investigated through physical and numerical experiments, to reveal the role of Wave Induced (WI) motions transferred from the sea into the atmosphere. Thanks to the use of complementary physical and numerical experiments, new insights on the wind-wave interaction processes are obtained

Cette thèse présente l'étude d'un système convectif à méso-échelle, observé à Niamey (Afrique de l'Ouest) au cours de la campagne AMMA (Analyse Multidisciplinaire de la Mousson Africaine) en 2006, à l'aide d'un modèle numérique à méso-échelle (BRAMS). L'objectif est de documenter le cycle de vie de ce type de système nuageux complexe et de caractériser les processus microphysiques prépondérants à l'aide d'observations synthétiques. Pour cela, plusieurs simulateurs d'instruments de télédétection ont été couplés aux sorties du modèle afin de créer un jeu de données qui soit comparable aux observations réalisées durant la campagne (au sol, aéroportées et satellitaires) : un radar à 95 GHz (facteur de réflectivité équivalente et vitesse Doppler), un lidar à 532 nm (coefficient de rétrodiffusion atténué) et un radiomètre infrarouge (température de brillance à 8. 7, 10. 6 et 12 µm. Les comparaisons directes et statistiques ont mis en évidence l'importance de l'utilisation d'un schèma microphysique à deux moments pour la restitution de ce type de système. La caractérisation à méso-échelle de ce MCS a été effectuée en utilisant une méthode originale de discrimination des parties convectives, stratiformes et cirriformes à partir des températures de brillance et des réflectivités radar. L'analyse statistique des champs de température de brillance a permis de vérifier que le modèle BRAMS représente de façon réaliste le cycle de vie du MCS étudié. Dans le cadre d'une analyse à petite échelle, les comparaisons entre les réflectivités radar et les vitesses Doppler (observées et simulées) ont montrées que le processus de givrage était surestimé par le modèle même dans la partie stratiforme de MCS. L'étude des différents échanges entre classes d'hydrométéores a permis de mettre en evidence le fait que les agrégats givrés, souvent observés, n'étaient pas correctement restitués par le modèle

Une atmosphère saine est un besoin élémentaire pour le bien être et la santé humaine. La matière particulaire en suspension (Particle Matter, PM) est bien connue pour avoir un impact significatif sur la santé. Les mesures de PM2.5 et PM10 au niveau du sol reflètent l’influence de la dynamique de la couche limite et du mélange des aérosols locaux ou advectés sur de grandes distances. Le lien entre épaisseur optique en aerosol (aerosol optical thickness, AOT) et PM dépend de la relation entre propriétés optiques et massiques et de la distribution verticale des particules dans l’atmosphère. Nous présentons 3 expériences de terrain dédiées à la caractérisation des aérosols de pollution dans le Nord de la France: la première lors d’un évenement de pollution printanier sur Lille, la seconde durant un événement de pollution hivernal sur Dunkerque et la troisième durant des occurrences de brise de mer sur le littoral Dunkerquois. Nous avons utilisé 2 systèmes Lidar différents, le premier dans le visible (532 nm) et le second dans l’UV (355 nm); un photomètre solaire automatique et des mesures de PM2.5 et PM10 par TEOM. L’altitude supérieure de la couche de mélange (Mixed boundary layer, MBL) est détectée par Lidar et nous avons été capable de suivre le développement classique de la couche limite convective ainsi que des décroissances brutales d’altitude de la MBL dues à la brise de mer. Les profils d’extinction aérosols ont été estimés en utilisant un rapport Lidar de 67 sr à 532 nm à Lille, 77 sr à 532 nm et 30 sr à 355 nm à Dunkerque. Nous avons analysé l’impact du transport grande échelle de masses d’air polluée, du développement convectif de la MBL et du développement de la cellule de brise de mer sur les profils verticaux d’extinction en aérosols. Le signal Lidar dans les premières centaines de mètres est très bien corrélé (coefficient de corrélation supérieur à 0.9) avec les concentrations massiques mesurées au sol dans tous les cas. Il est également montré que l’introduction de la hauteur de la MBL permet une meilleure détermination des PM à partir de l’épaisseur optique
Clean air is considered to be a basic requirement for human health and well-being. Particulate matter is known to have a significant impact on health. The variability of Particle Matter (PM2.5 and PM10) concentrations recorded at ground-level is influenced by the boundary layer dynamics, local emissions, and advection and mixing of large scale transported aerosols. The link between columnar aerosol optical thickness (AOT) and ground-level PM depends on the relationship between mass and optical properties and on the vertical distribution of aerosols in the atmosphere. We present three field experiments dedicated to the characterization of pollution aerosols in the North of France: the first one during a spring pollution episode in metropolitan area of Lille (50.61°N, 3.14°E), the second one during a winter pollution episode in the industrial coastal city of Dunkerque (51°04'N; 2°38'E) and the third one during summer sea breezes on coastal area of Dunkerque. We have used 2 different Lidar systems, one in the UV (355 nm) and the other one in the visible (532 nm), an automatic sun photometer, and PM2.5 and PM10 measurements with TEOM. The mixed layer (MBL) top altitude is detected from the Lidar signal and we were able to monitor the classical diurnal evolution of the convective continental boundary as well as short-time decreases in the MBL height due to sea breeze occurrences. The aerosol extinction profiles were estimated using a Lidar ratio of 67 sr at 532 nm in Lille, and 77 sr at 532 nm and 30 sr at 355 m in Dunkerque. We have analyzed the impact of long range transport of polluted air masses, convective development of the MBL, and sea breeze development on the vertical profile of aerosol extinction coefficient. The Lidar signal in the first few hundred meters is well correlated (correlation coefficient above 0.9) with the PM concentrations in all cases. It is found that introducing the Lidar derived MBL height enable a better estimation of PM from measured AOT. Clean air is considered to be a basic requirement for human health and well-being. Particulate matter is known to have a significant impact on health. The variability of Particle Matter (PM2.5 and PM10) concentrations recorded at ground-level is influenced by the boundary layer dynamics, local emissions, and advection and mixing of large scale transported aerosols. The link between columnar aerosol optical thickness (AOT) and ground-level PM depends on the relationship between mass and optical properties and on the vertical distribution of aerosols in the atmosphere. We present three field experiments dedicated to the characterization of pollution aerosols in the North of France: the first one during a spring pollution episode in metropolitan area of Lille (50.61°N, 3.14°E), the second one during a winter pollution episode in the industrial coastal city of Dunkerque (51°04'N; 2°38'E) and the third one during summer sea breezes on coastal area of Dunkerque. We have used 2 different Lidar systems, one in the UV (355 nm) and the other one in the visible (532 nm), an automatic sun photometer, and PM2.5 and PM10 measurements with TEOM. The mixed layer (MBL) top altitude is detected from the Lidar signal and we were able to monitor the classical diurnal evolution of the convective continental boundary as well as short-time decreases in the MBL height due to sea breeze occurrences. The aerosol extinction profiles were estimated using a Lidar ratio of 67 sr at 532 nm in Lille, and 77 sr at 532 nm and 30 sr at 355 m in Dunkerque. We have analyzed the impact of long range transport of polluted air masses, convective development of the MBL, and sea breeze development on the vertical profile of aerosol extinction coefficient. The Lidar signal in the first few hundred meters is well correlated (correlation coefficient above 0.9) with the PM concentrations in all cases. It is found that introducing the Lidar derived MBL height enable a better estimation of PM from measured AOT

Ces travaux de thèse concernent l’étude de la brise de mer et son impact sur la pollution atmosphérique. Afin de modéliser la brise de mer, le modèle de circulation atmosphérique Méso-NH a été appliqué à la région Nord-Pas de Calais. Les simulations numériques ont tourné sur le supercalculateur de l’IDRIS et leurs résultats ont été comparés aux données issues de campagnes de mesures réalisées par le LPCA à Dunkerque, avec des instruments Lidar et Sodar, ainsi qu’aux données in situ disponibles, météorologiques (données Météo-France) et de qualité de l’air du réseau ATMO Nord-Pas de Calais. Ces résultats ont permis l’étude et l’analyse d’un cas dominant de brise de mer sur le littoral des Flandres. Les simulations numériques montrent notamment que la brise possède temporairement une zone de recirculation lorsque le courant de brise s’accélère. Le modèle de chimie-transport Méso-NHC a ensuite été appliqué afin de suivre les émissions de polluants issues notamment de la zone industrielle dunkerquoise. Le cadastre des émissions de la région Nord-Pas de Calais, spatial et temporel, a été intégré au modèle Méso-NHC, permettant son utilisation pour la simulation de scénarii plausibles de pollutions atmosphériques aux échelles régionales et locales. Les résultats montrent que la recirculation de la brise entraîne une redistribution de l’air marin et des polluants au-dessus du courant de gravité de la brise. Cette élévation en altitude, jusqu’à deux fois la hauteur du courant de gravité, entraîne un refroidissement des masses d’air. Ces conditions sont susceptibles de former des particules et des nuages acides par un processus de nucléation des particules sulfatées favorisé à la fois par la photochimie de l’ozone et par de forts taux d’humidité relative. Le système de brise de mer restreint également la circulation des polluants à de basses altitudes. Des brises de mer successives sont des conditions favorables à la stagnation des polluants à proximité des zones d’émissions côtières
This work aims to study the impact of the sea-breeze system on the boundary layer dynamics and transport of the pollutants. In order to simulate the sea-breeze dynamics, the non hydrostatic atmospheric model Meso-NH has been applied to the Nord-Pas de Calais region. The simulations were computed at the IDRIS computational centre in Paris and the model outputs have been compared with data issued from ground based instruments lidar and sodar (LCPA laboratory , Dunkerque, France), meteorological stations and the air quality network ATMO Nord-Pas de Calais. These results allowed the analysis of a type of sea breeze having the largest occurence on the Flanders coast. The numerical simulations have shown that the sea breeze had a temporarily recirculation zone when the sea-breeze flow was accelerating. The chemistry-transport model Meso-NHC has then been applied in order to follow pollutants emitted regionally and from Dunkerque industrial area. The regional inventory of emissions has been integrated to the model with temporal coefficients applied to different categories of pollutants. These improvements allow us using the regional inventory in the numerical simulations in order to realize realistic pollutions episodes at local and regional scales. The results show that the sea-breeze circulation induces a redistribution of marine air and pollutants above the sea-breeze gravity current. The uplift, up to twice the height of the gravity current, induces a cooling of the air masses. These conditions are proneto form particules and acid clouds by a nucleation process of sulfates particles which is enhanced by both photochemistry of ozone and high relative humidity. The sea-breeze system stratifies the atmosphere and thus restrains the pollutants circulations at low altitudes. Consecutive sea-breeze days can keep the circulation of pollutants in the nearby coastal areas of emissions and favour the stagnation of the pollutants at regional scale

La prévision des orages est un des problèmes majeurs de la prévision météorologique, aussi bien pour l’anticipation des situations où des phénomènes sont observés que pour les cas qui ne déclenchent pas de convection. La campagne COPS (Convective and Orographically-induced Precipitation Study) qui a eu lieu durant l’été 2007 au-dessus des Vosges et de la Forêt Noire a été l’occasion d’utiliser un jeu de données multi-instrumental complet pour étudier la variabilité à méso-échelle de la vapeur d’eau dans la basse troposphère, et son impact sur l’initiation ainsi que l’inhibition de la convection. L’effort d’analyse s’est notamment concentré sur les couches sèches observées maintes fois en période pré-convective durant la campagne. Sur la base de l’étude de cas du 15 juillet 2007, les travaux menés ont montré les processus qui gouvernent ces couches sèches et le rôle de ces dernières dans l’inhibition de la convection. Ces processus sont liés aussi bien à des advections à l’échelle régionale de structures sèches qu’à des processus plus locaux liés principalement à l’impact du relief sur le flux de basse couche et au forçage orographique diurne. Le travail autour de cette étude de cas a également permis de montrer l’intérêt de la tomographie GPS pour l’étude de la variabilité spatio-temporelle de la vapeur d’eau à l’échelle régionale. De même, le modèle à aire limité Méso-NH a été utilisé pour aider à l’interprétation des processus comme pour calculer des rétrotrajectoires pour comprendre l'origine des masses d'air étudiées. Une analyse critique de la représentation des couches sèches dans le modèle a également été effectuée
Storms prediction is one of the major problems of weather forecasting, regarding both the anticipation of situations in which convective phenomena are observed and cases for which convection does not initiate. The COPS (Convective and orographically-induced Precipitation Study) campaign which took place during the summer of 2007 over the Vosges and the Black Forest was an opportunity to use a complete multi- instrumental dataset to study the mesoscale variability of water vapor in the lower troposphere, and its impact on the initiation and inhibition of convection. The present work is focused particularly on dry layers observed many times in pre- convective conditions during the campaign. Based on the case study of 15 July 2007, the work details the processes that govern these dry layers and the role they play in the inhibition of convection. These processes involve regional advection of dry structures as well as more local processes related mainly to the impact of the topography on the impinging flow as well as diurnal orographic forcing. The analysis of the synoptic origin of dry air masses impacting the COPS region was also studied. Work around this case study also highlighted the worth of GPS tomography to study the spatial and temporal variability of water vapor at the regional scale. Similarly, the limited area model Meso-NH was used to assist in the interpretation process as well as to calculate air masses back-trajectories. A critical analysis of the representation of the dry layers in the model was also performed

Réservé lors de sa mise en service aux applications militaires, le système GPS (Global Positioning System) est désormais utilisé par la communauté scientifique civile pour des applications de positionnement de précision; dans un souci d'amélioration de la précision du positionnement vertical par GPS, une action de recherche est menée conjointement depuis 1999 entre l'Institut Géographique National (IGN) et le Service d'Aéronomie (SA) du CNRS. Cette amélioration concerne la précision de la détermination du délai troposphérique (principalement dû à la présence de vapeur d'eau dont la distribution spatiale est très variable) qui limite actuellement la précision de la restitution de la composante verticale par GPS. Cette thèse porte donc sur l'étude d'une méthode de correction des mesures GPS de la propagation troposphérique et la validation du concept proposé à partir de mesures atmosphériques et de simulations numériques.

Dans un premier temps, le système GPS est présenté dans son utilisation géodésique classique; un bilan d'erreur est donné, en insistant particulièrement sur la modélisation du délai troposphérique qui intervient dans les observations GPS. L'erreur de positionnement induite par des hétérogénéités atmosphériques est estimée par simulation simplifiée de la chaîne de traitement GPS d'une ligne de base en double différence. Il en ressort qu'une correction externe des mesures GPS est nécessaire, et que les méthodes de traitement GPS actuelles (correction a priori et estimation de paramètres troposphériques) ne sont pas adaptées à des situations présentant de fortes hétérogénéités dans la distribution de vapeur d'eau atmosphérique.

Dans un second temps, l'étude se focalise sur le mode de la correction des mesures GPS à utiliser. Après une rapide revue des différentes techniques de sondage de la vapeur d'eau troposphérique, les précisions des délais troposphériques humides obtenus à partir d'une mesure résolue en distance sont comparées, par simulation, à celles obtenues à partir d'une mesure intégrée; de ces simulations, il est conclu qu'une mesure résolue (rapport de mélange ou concentration absolue), fournie par un lidar Raman à balayage, permet d'obtenir la précision sub-millimétrique visée sur le délai troposphérique humide.

Le développement instrumental d'un lidar Raman vapeur d'eau à balayage est ensuite abordé. Le principe de la mesure de vapeur d'eau par lidar Raman est présenté, et compte-tenu des configurations instrumentales existantes, des contraintes d'encombrement imposées par la mobilité du système et des performances obtenues par un simulateur développé pour l'occasion, les caractéristiques d'un nouveau système lidar Raman sont présentées. Les premiers résultats expérimentaux obtenus en visée zénithale lors de la campagne ESCOMPTE en 2001 et d'une campagne de mesure à Toulouse au CNRM en 2002 sont présentés, validant ainsi le simulateur instrumental du lidar Raman développé pour le sondage de la vapeur d'eau atmosphérique.

Dans une dernière partie, le bénéfice d'une correction externe des mesures GPS par lidar Raman à balayage est démontré par la simulation numérique. Les observations GPS et les corrections lidar correspondantes sont calculées à partir d'une simulation de l'évolution de la distribution spatiale de la vapeur d'eau effectuée à méso-échelle par le modèle MM5. La simulation concerne une journée d'étude de la campagne IHOP (International H2O Project) pour un cas où la couche limite est très hétérogène. La stratégie d'observation est discutée en fonction de l'erreur obtenue. Il est montré que les erreurs de positionnement sub-millimétriques (environ 10 fois plus faibles que celles obtenues lors d'un traitement GPS classique) peuvent être obtenues sur une période de 24 heures, avec un balayage séquentiel et homogène de la constellation de satellites GPS (5 minutes d'observation par satellite pour des élévations supérieures à 5°).

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 pro leur 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'in uence 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 l'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 con rmer 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 pro ls verticaux de vent.

Les techniques en ondelettes pour l'étude des structures géophysiques dans le domaine atmosphérique sont passées en revue afin de compléter les outils couramment utilisés (FFT. . . ). Leurs contributions résident dans l'analyse visuelle et de synthèse de l'information des phénomènes géophysiques multi-échelles et / ou non-stationnaires et de leur quantification. Notre étude porte également sur les ondes de gravité qui jouent un rôle essentiel dans la circulation générale et qui restent mal documentées dans la région tropicale de l'hémisphère Sud dû à un manque de mesures expérimentales. Les techniques en ondelettes sont appliquées aux mesures à haute résolution issues des radiosondages (La Réunion, Irène, Tromelin) et du Lidar Rayleigh (La Réunion) pour l'analyse des ondes de gravité dans la basse et moyenne atmosphère. Dans la première partie, nous rappelons principalement le contexte historique des techniques en ondelettes, les descriptions et les théories des structures ondulatoires, en particulier des ondes de gravité en région tropicale. Dans une seconde partie, nous présentons les techniques en ondelettes : la transformée en ondelettes continues et les analyses multirésolution et en paquets d'ondelettes. Leur utilisation pratique est illustrée sur des signaux académiques. Dans une troisième partie, des études géophysiques soulignent la variabilité multi-échelle de l'ozone induite par les ondes de gravité dans la basse atmosphère au-dessus de la Réunion et Irène. De nouvelles méthodes, issues de l'analyse en ondelettes, sont proposés pour estimer les paramètres d'ondes de gravité à partir des données température du Lidar et pour suivre leur évolution spatio-temporelle. Pour finir, une étude climatologique préliminaire des paramètres spectraux des modes cohérents, extraits des données de Tromelin par la transformée en ondulettes continues, révèle le rôle prépondérant de la génération des ondes de gravité en région tropicale, particulièrement en été.

Le premier objectif de cette étude est d’analyser la cohérence entre les restitutions d’aérosols au-dessus des nuages (AAC) réalisées à partir de mesures spatiales passive et active. Nous avons considéré la méthode basée sur les mesures polarisées de POLDER, la méthode développée pour le lidar spatial CALIOP et la méthode basée sur le rapport de dépolarisation CALIOP (DRM), pour laquelle nous proposons une version calibrée. Nos analyses régionale et pluriannuelle globale mettent en évidence un bon accord statistique entre les restitutions DRM et POLDER AOT (R2=0,68 - échelle globale), qui donne confiance dans notre capacité à mesurer les propriétés de l'AAC. Des différences se produisent lors du contact entre les couches d'aérosols et de nuages. La méthode opérationnelle de CALIOP sous-estime l’AOT, comparé aux deux autres méthodes. Le second objectif est d'étudier l'impact des aérosols sur les propriétés des nuages et leur forçage radiatif, sur l'océan Atlantique Sud. Nous avons considéré une synergie entre les restitutions CALIOP et POLDER avec des paramètres météorologiques colocalisés. Nous réalisons des calculs de transfert radiatif dans les domaines visible et infrarouge, et analysons l'effet de la charge en aérosol sur les propriétés des nuages et la météorologie. Nous avons trouvé que les aérosols et le contenu en vapeur d’eau pourraient impacter la convection des nuages. Nos résultats montrent que sous de fortes charges de AAC, les nuages deviennent optiquement plus épais, avec une augmentation du contenu en eau liquide de 20 g.m-2 et des altitudes plus basses du sommet du nuage (~200 m); indiquant un potentiel effet semi-direct des aérosols au-dessus des nuages
One of the main objectives of this study is to analyze the consistency between the aerosol above clouds (AAC) retrievals from passive and active satellite measurements. We consider the method based on the passive polarization measurements provided by the POLDER instrument, the operational method developed for the space borne lidar CALIOP, and the CALIOP-based depolarization ratio method (DRM), for which we also propose a calibrated version. We perform a regional analysis and a global multi-annual analysis to provide robust statistics results. Our findings show good agreement between DRM and POLDER AOT retrievals (R2=0.68 at global scale). This result gives confidence in our ability to measure the properties of AAC. Differences occur when the aerosol and cloud layers are in contact. CALIOP operational method is largely underestimating the above cloud AOT, compared to the other two methods.The second objective is to study the impact of aerosols on the cloud properties and their radiative forcing, over the South Atlantic Ocean. We perform a synergy between CALIOP vertical profiles and POLDER retrievals, with collocated meteorological parameters. We performed radiative transfer calculations in the short- and longwave domains, and analyzed the effect of aerosol loading on the cloud properties and meteorology. We found that aerosols and water vapor effects could impact the cloud convection. Our results show that under large loads of AACs, clouds become optically thicker, with an increase in liquid water path of 20 g.m-2 and their cloud top altitudes are lower by 200 m, which may indicate a potential semi-direct effect of aerosols above clouds

Un des objectifs majeurs des programmes de recherches actuels est de comprendre quel est l'impact des nuages et des aérosols au sein du bilan radiatif global. En effet, les nuages et les aérosols ont une influence significative sur la balance radiative terrestre, et induisent des réponses climatiques diverses qui ne sont pas encore pleinement connues. L'hétérogénéité spatiale des structures nuageuses et de leurs propriétés microphysiques, contribue de manière significative à la modulation du budget énergétique terrestre. Les flux radiatifs pris à la surface sont très sensibles à la structure éométrique de ces nuages, ainsi qu'à leur altitude. Un des premiers objectifs afin d'améliorer les modèles climatiques existant, est donc d'acquérir une meilleur connaissance sur la distribution tri- dimensionnelle des structures nuageuses. Les systèmes spatiaux comportant des instrumentations lidar nous apportent aujourd'hui de nouvelles informations sur la distribution verticale des aérosols. Notre second objectif est donc d'améliorer l'obtention des propriétés des aérosols au dessus des surfaces continentales, lieu ou l'obtention de résultat via les systèmes de détection passif sont connus pour être difficiles du fait de la contribution radiative de la surface. Afin de remplir le premier objectif, nous avons appliqué et adapté un algorithme nous permettant d'estimer la fonction de densité de probabilité du sommet des structures nuageuses, à partir des profils lidar fournis par la mission satellite GLAS (Geoscience Laser Altimeter System, NASA) et la mission LITE (In-space Technology Experiment, NASA, 1994). La méthodologie utilisée est dans un premier temps expliquée. Les résultats obtenus grâce à l'utilisation des données GLAS et LITE sont présentés et discutés. La validation de cette méthode du point de vue de ses performances est ensuite effectuée grâce à une étude de sensibilité. La synergie entre les mesures des instruments passifs et actifs peut amener à des améliorations significatives de l'inversion lidar. Dans le but de remplir notre second objectif, nous présentons alors dans la suite de ce travail le potentiel apporté par l'utilisation du couplage entre un lidar spatial (LITE en l'occurrence) et un satellite géostationnaire (Meteosat-5) afin de retrouver les propriétés optiques de l'aérosol au dessus des océans et des continents, dans le cas particulier des poussières désertiques Africaines. Pour ce faire, un algorithme a été implémenté. Les résultats fournis par cette méthode sont présentés. Les erreurs faites sur l'estimation de l'impact radiatif de l'aérosol sont estimées pour cette synergie, mais aussi dans le cas des autres synergies possibles pouvant allier les instruments de télédétection actifs et passifs, embarqués à bord des satellites actuellement en orbite.

Les régimes dynamiques dans les basses couches de l'atmosphère à l'île de la Réunion sont conditionnés par l'action du relief et du rayonnement sur l'écoulement synoptique. L'île est située en permanence dans le flux des alizés de sud-est et son relief élevé, culminant à 3000 m dans le centre de l'île et 2600 m au sud, constitue un obstacle important pour l'écoulement moyen. Le relief, le chauffage différentiel des pentes et le contraste thermique avec l'océan influent sur les échanges locaux entre la couche limite marine et la troposphère libre.L'analyse des phénomènes complexes de l'écoulement atmosphérique au niveau de l'île a pour but initial de caractériser les transferts de polluants émis localement. Cette étude a deux applications : * La première rentre dans le cadre préparatoire à la mise en place, à 2200 m d'altitude sur le Piton Maïdo, de l'observatoire atmosphérique de l'OPAR, à l'horizon 2011. L'objectif est de comprendre les circulations locales induites par le relief et les transports associés afin de discriminer d'éventuelles pollutions par les sources locales sur le signal qui sera mesuré in situ au sommet du Maïdo.* La seconde vise à étudier la diffusion des panaches volcaniques du Piton de la Fournaise. L'éruption majeure d'avril 2007 du volcan réunionnais a montré que des panaches pouvaient générer d'importantes pollutions dans diverses parties de l'île allant jusqu'à poser de réels problèmes environnementaux et de santé publique.Ces applications s'appuient sur une étude par modélisation numérique à haute résolution des écoulements atmosphériques dans les basses couches au niveau de l'île, au moyen du modèle météorologique de recherche MésoNH, permettant de conduire un ensemble de simulations sur cas idéalisés puis sur cas réels avec diffusion de traceurs passifs.

Les cycles couplés des aérosols, de la vapeur d’eau et des nuages sont à l’heure actuelle un domaine de recherche dynamique au cœur d’enjeux climatiques et météorologiques. Une meilleure compréhension des interactions entre ces différents cycles atmosphériques doit permettre de mieux appréhender les processus conduisant à des évènements météorologiques extrêmes et également de diminuer les incertitudes des projections climatiques, en grande partie liées aux interactions aérosols – nuages. Contribuant à ces efforts, les travaux présentés dans cette thèse sont fondés sur l'analyse d'observations expérimentales de terrain autour d’un instrument de télédétection émergent. Il s’agit d’un lidar Raman météorologique transportable capable de mesurer simultanément la température thermodynamique, le contenu en vapeur d'eau et les propriétés optiques des aérosols, dans la colonne atmosphérique. Cet instrument, développé au LSCE et nommé WALI, permet des observations continues dans la basse et moyenne troposphère avec une précision et des résolutions verticale et temporelle en adéquation avec les objectifs de ruptures énoncés par l’OMM. En premier lieu, le bilan de liaison de la chaîne d’acquisition de la température basée sur la spectroscopie Raman rotationnelle, nouvellement implémentée sur le lidar, a été obtenu à l’aide d’une modélisation directe – inverse. Les premières mesures de température par lidar, conduites durant une période très contrastée en température marquée par l’occurrence d’une vague de froid, ont permis une comparaison avec les sorties de modèles de prévisions météorologiques à méso-échelle (AROME/Météo-France) et globale (ERA5/ECMWF) et l'instrument IASI embarqué sur les satellites de la série METOP. Lors d’une configuration météorologique hivernale analogue ayant induit des épisodes de pollution majeurs en Île-de-France, un suivi des propriétés optiques des aérosols a été effectué. Enfin, une campagne de mesure multi-instruments incluant un volet aéroporté a été conduite aux abords du lac d’Annecy, avec une stratégie originale couplant la télédétection et l'observation in situ. Elle a permis une analyse préliminaire du cycle de l'eau dans un environnement montagneux complexe, incluant les liens entre la vapeur d'eau atmosphérique, les nuages, les aérosols et le lac. Le lidar Raman météorologique s’avère être un outil idoine pour étudier ces processus
The coupled cycles of aerosols, water vapor and clouds are currently a dynamic field of research at the heart of climate and weather challenges. A better understanding of the interactions between these atmospheric cycles should allow to perceive the processes leading to extreme weather events and to reduce the uncertainties of climate projections, largely related to aerosol-cloud interactions. In line with these efforts, the work presented in this thesis are based on the analysis of experimental field observations, around a new tool for remote sensing. It is a transportable meteorological Raman lidar capable of simultaneous measurements of the thermodynamic temperature, water vapor content and optical properties of aerosols in the atmosphere. This instrument, developed at LSCE and called WALI, allows continuous observations in the lower and middle troposphere with a precision, and vertical and temporal resolutions in line with the breakthrough requirements set by the WMO. Firstly, the link budget of the temperature acquisition channel based on rotational Raman spectroscopy, newly implemented on the lidar, has been obtained using direct - inverse modeling. The first temperature measurements by lidar, carried out during a very contrasted period in terms of temperature marked by the occurrence of a cold spell, allowed a comparison with the outputs of mesoscale (AROME/Météo-France) and global (ERA5/ECMWF) weather prediction models and the IASI instrument onboard the METOP series satellites. During a similar winter meteorological configuration that induced major pollution events in Île-de-France, the optical properties of aerosols were monitored. Finally, a multi-instrument measurement campaign, involving aircrafts, was carried out on the shores of the Annecy lake, with an original strategy coupling remote sensing and in situ observations. They allowed preliminary analyses of the water cycle in a complex mountainous environment, including the links between atmospheric water vapor, clouds, aerosols and the lake. A meteorological Raman Lidar turns out to be a suitable tool to study these processes

La ville du Havre et son agglomération sont implantées entre l'estuaire de la Seine et le plateau crayeux du Pays de Caux. Ce territoire côtier est soumis à des risques naturels typiques des zones littorales que sont les submersions marines et l'érosion des falaises. L'étude a été réalisée à partir de photographies aériennes et de relevés topographiques aériens LiDAR (laser altimétrique). La ville basse du Havre, construite autour de bassins portuaires, est particulièrement sensible à l'aléa submersion marine. Des inondations urbaines ont déjà eu lieu en 1981, 1983 et 1984. Elles résultent d'une conjonction entre des hautes mers de vives-eaux et des surcotes marines produites par des dépressions et/ou des vents forts. L'étude a visé à cartographier les zones de débordement et d'inondation potentielle de la ville basse du Havre en superposant divers scenarii de niveaux d'eaux statiques et la topographie haute précision de la zone urbaine. Les falaises littorales de la pointe de Caux, situées entre le Cap de La Hève et le Cap d'Antifer subissent une dynamique gravitaire à mouvements de terrain récurrents. L'étude de la zone entre 1985 et 2008 (23 ans) montre un taux d'érosion moyen du haut de falaise de 18 cm/an. L'accumulation de dépôts d'éboulis a formé un talus continu en pied de falaise qui atteint un volume de 36,7 millions de m3. Les dépôts d'éboulis sont localement très variables en taille, volume et composition, du nord au sud du secteur d'étude. Bien que seul 10 % du linéaire du pied de talus soit atteint par les hautes mers en conditions de vives-eaux, le pied de talus peut localement être rogné par la mer et entraîner une déstabilisation de la falaise littorale. L'impact d'une augmentation du niveau marin au Havre est susceptible d'amplifier à long terme l'intensité de ces deux aléas côtiers, mais il apparaît cependant comme faible par rapport à l'influence des facteurs météorologiques.