Littérature scientifique sur le sujet « Turbulence atmosphérique – Analyse »

Abstract. The general purpose of this paper is to experimentally study mesoscale dynamical aspects of the Mistral in the coastal area located at the exit of the Rhône-valley. The Mistral is a northerly low-level flow blowing in southern France along the Rhône-valley axis, located between the French Alps and the Massif Central, towards the Mediterranean Sea. The experimental data are obtained by UHF wind profilers deployed during two major field campaigns, MAP (Mesoscale Alpine Program) in autumn 1999, and ESCOMPTE (Expérience sur Site pour COntraindre les Modèles de Pollution atmosphériques et de Transports d'Emission) in summer 2001. Thanks to the use of the time evolution of the vertical profile of the horizontal wind vector, recent works have shown that the dynamics of the Mistral is highly dependent on the season because of the occurrence of specific synoptic patterns. In addition, during summer, thermal forcing leads to a combination of sea breeze with Mistral and weaker Mistral due to the enhanced friction while, during autumn, absence of convective turbulence leads to substantial acceleration as low-level jets are generated in the stably stratified planetary boundary layer. At the exit of the Rhône valley, the gap flow dynamics dominates, whereas at the lee of the Alps, the dynamics is driven by the relative contribution of "flow around" and "flow over" mechanisms, upstream of the Alps. This paper analyses vertical velocity and turbulence, i.e. turbulent dissipation rate, with data obtained by the same UHF wind profilers during the same Mistral events. In autumn, the motions are found to be globally and significantly subsident, which is coherent for a dry, cold and stable flow approaching the sea, and the turbulence is found to be of pure dynamical origin (wind shears and mountain/lee wave breaking), which is coherent with non-convective situations. In summer, due to the ground heating and to the interactions with thermal circulation, the vertical motions are less pronounced and no longer have systematic subsident charateristics. In addition, those vertical motions are found to be much less developed during the nighttimes because of the stabilization of the nocturnal planetary boundary layer due to a ground cooling. The enhanced turbulent dissipation-rate values found at lower levels during the afternoons of weak Mistral cases are consistent with the installation of the summer convective boundary layer and show that, as expected in weaker Mistral events, the convection is the preponderant factor for the turbulence generation. On the other hand, for stronger cases, such a convective boundary layer installation is perturbed by the Mistral.

Résumé Au cours de l'été 1995, la distribution des concentrations atmosphériques en dioxyde d'azote (NO 2 ) et enozone (O 3 ) a été analysée dans une vallée alpine (Chamonix, France). Sur 8 km, du fond de la vallée (1 020 m) à 2 000 m d'altitude, 42 sites répartis selon une maille de 1 km 2 ont fait l'objet de trois échantillonnages passifs hebdomadaires, du 17 juillet au 7 août 1995. Des mesures en continu des concentrations en NO 2 et en O3 effectuées simultanément sur deux des sites ont permis de vérifier les résultats obtenus par l'échantillonnage passif. Les concentrations en NO 2 s'atténuent graduellement du sud-ouest au nord-est suivant l'axe de la vallée, passant de 50,3 à 9,9 [.mu]g/m 3 . Par contre, elles diminuent rapidement avec l'altitude (de 27,3 [.mu]g/m 3 au fond de la vallée à 3,2 [.mu]g/m 3 à 2 000 m d'altitude). Les concentrations maximales sont relevées à proximité des zones de concentration du trafic routier: route principale (26 000 véhicules par jour), route d'accès au tunnel du Mont-Blanc (7 000 v/j) et aires de stationnement. L'ozone est en concentration maximale en altitude (125 [.mu]g/m 3 ) et diminue graduellement vers le fond de la vallée (67,1 [.mu]g/m 3 ). Le resserrement de la vallée dans la partie nord-est conduit à l'augmentation des concentrations dans cette zone. Le climat (turbulences de l'air, phénomènes d'inversion thermique), les phénomènes photochimiques et la configuration de la vallée sont les facteurs expliquant ce patron de distribution des concentrations en NO 2 et en O 3 dans la vallée.

Dans un modele de pollution atmospherique a echelle regionale, la dispersion des gaz emis par des cheminees d'usines n'est pas bien prise en compte. Pour repondre a ce probleme, une approche est la modelisation specifique d'un panache de gaz emis par une source ponctuelle et son couplage au modele regional. Dans cette these, nous analysons les approximations effectuees lors de l'emploi de cette technique. Nous abordons le probleme de l'utilisation des modeles lagrangiens de panache dans un ecoulement a echelle regionale heterogene en espace. En effet les modeles de panache sont definis dans un ecoulement turbulent homogene en espace. Dans le cadre du projet azur (edf, ifp, lisa), une methode numerique a ete mise au point pour coupler un modele de dispersion et de surelevation de panache a un modele regional eulerien de pollution atmospherique. L'analyse mathematique des approximations a ete effectuee dans les cas de panaches chimiquement inertes (systeme lineaire). Elle permet de mettre en avant des precautions d'emploi des modeles de panache, par exemple certaines approximations posent des problemes si le domaine d'etude est une region ayant un relief accidente. Pour un modele de panache reactif, nous remarquons que le couplage avec le modele regional n'est pas clairement defini. Cependant, une partie de l'analyse du cas inerte est aussi valable pour le cas de certains modeles reactifs, comme le modele a couronnes. En effet la dispersion du panache dans un modele a couronnes est modelisee comme si celui-ci etait inerte, donc avec les memes approximations.

Cette thèse porte sur l'étude de la transition d'après-midi (TA) de la couche limite atmosphérique (CLA). La TA est une période complexe du cycle diurne, de par son manque de stationnarité et parce qu'elle est régie par un ensemble de forçages qui faiblissent et dont les rôles respectifs changent par rapport à ce qu'ils ont pu être durant la période convective. Il résulte une moins bonne compréhension de cette période que des régimes quasi-stationnaires convectifs, neutres ou stables. La TA pourrait conditionner l'établissement du brouillard nocturne, influencer le développement de la couche limite du lendemain et être une phase clé du cycle diurne pour la ventilation des espèces en trace vers l'atmosphère libre. Par conséquent, de meilleures description et compréhension de la TA pourraient améliorer les modèles météorologiques et de qualité de l'air. Les principaux objectifs de la thèse ont été de mieux comprendre comment la turbulence décroît pendant la TA en mettant l'accent sur l'évolution de la structure verticale de la turbulence lorsque les transferts d'énergie en surface diminuent progressivement, et sur le rôle que joue la surface à ce moment particulier du cycle diurne. Le projet international BLLAST (Boundary Layer Late Afternoon and Sunset Turbulence) a servi de cadre à cette thèse. La campagne de mesures qui s'est déroulée en été 2011 sur le Plateau de Lannemezan, au nord de la chaîne Pyrénéenne, a fourni les nombreuses observations utilisées dans cette thèse. Une approche complémentaire aux observations est l'utilisation d'un modèle atmosphérique permettant de résoudre explicitement les échelles de la turbulence (LES)
This thesis focuses on the afternoon transition (AT) of the atmospheric boundary layer (ABL). This transitional period is complex, because it is non-stationary and most of the forcings, though smaller than during the previous convective period, may come into play. Thus, this transitional period is less understood than the quasi-stationary convective, neutral or stable regimes. Yet, the AT could impact on the nocturnal fog set up, influence the boundary-layer development on the following day and play a crucial role in the transport and dispersion of pollutants and trace species towards the free troposphere. Therefore, a better understanding of the AT could improve the meteorological models. One of the main objectives of the thesis is to improve the knowledge of the decay of turbulence during the AT, when the surface energy transfers are gradually decreasing. We especially put emphasis on the evolution of the ABL turbulence vertical structure. This work is in the core of the BLLAST (Boundary Layer Late Afternoon and Sunset Turbulence) international project. A field campaign took place in summer 2011 in France, on the northern side of the Pyrenean foothills (at "Plateau de Lannemezan"), providing numerous observations used in the thesis. In addition, we also used a Large-Eddy Simulation (LES) with which the turbulent scales can be explicitly resolved. Thanks to this approach, the evolution during the AT of the scale definitions, scaling laws, turbulence characteristics and of the role of the boundary layer processes are now better understood. Thanks to the set of observations, an overview of the BLLAST ATs has been done, according to the various meteorological conditions as well as the structure and evolution of the mean and turbulence structure of the ABLs. A large variability of the AT duration was observed, depending on the surface characteristics and atmospheric conditions. The evolution of the turbulent characteristics during the AT has been studied at the surface and higher in the ABL by means of aircraft measurements and LES data. The study points out the LES ability to reproduce the turbulence evolution throughout the afternoon

Dans la couche melangee de suface, les interactions qui se developpent sous les vagues de vent entre les vagues, les courants et la turbulence sont a l'origine du champ tridimensionnel du mouvement moyen (circulations de langmuir) et de niveaux de turbulence eleves. Une analyse originale des donnees experimentales de laboratoire (et de campagnes de terrain), a partir d'echelles de references pertinentes baties sur les mecanismes d'interactions mis en avant par craik & leibovich, permet de degager les traits caracteristiques de cet ecoulement : les niveaux d'energie cinetique turbulente et de taux de dissipation a l'interface sont directement controles par les parametres de vagues (effet du deferlement) et la distribution verticale de ces grandeurs turbulentes est modifiee par la presence d'ecoulements secondaires. Un modele, base sur les termes sources generateurs de vorticite qui relient le courant de stokes de la vague gradients de vitesse moyenne longitudinale et sur une fermeture de la turbulence au premier ordre, a ete mis en oeuvre. Il apparait a partir d'une etude de sensibilite de ce modele aux nombres adimensionnels qui le composent, que le fetch favorise l'intensification des circulations de langmuir. La confrontation du modele sur les donnees experimentales met l'accent sur la difficulte a analyser le comportement des mesures quand on n'a pas d'indications sur les vitesses verticales : cette absence d'informations pourait etre a l'origine des difficultes rencontrees par les gens de terrain pour trouver des echelles explicatives des taux de dissipations observes. On dispose ainsi d'un modele de predetermination de l'ecoulement sous les vagues de vent si les caracteristiques des vagues et du vent sont connues.

Afin d'étendre la couverture du ciel en Optique Adaptative (OA), des Etoiles Guide Laser (EGL) sont crées artificiellement dans la couche de Sodium de l'atmosphère. Leur utilisation provoque des problèmes spécifiques sur la mesure de front d'onde par l'Analyseur de Surface d'Onde (ASO). Certains deviennent critiques avec le passage aux ELT (Extremely Large Télescopes). L'objectif de cette thèse est d'étudier la spécificité de l'analyse de front d'onde sur EGL pour les ELT, et d'optimiser l'ASO dans ce cadre. Pour cela, une caractérisation des effets d'anisoplanétisme focal différentiel sur la mesure de front d'onde a d'abord été effectuée. En s'appuyant sur un modèle de propagation diffractive, nous avons chiffré l'impact des effets de phase et d'amplitude dans le cas des ELT en prenant en compte l'étape de reconstruction tomographique. Nous avons montré que ces effets étaient d'amplitude faible pour la plupart des applications. Nous avons ensuite proposé un modèle simple pour classer les différentes sources d'erreurs mises en évidence dans la littérature. Après avoir montré que l'ASO Pyramide et l'ASO Shack-Hartmann (SH) avaient des comportements très proches lors de la mesure sur EGL, nous avons évalué ces différentes sources d'erreur en considérant le cas d'un ASO SH. Nous avons étudié en détail l'évaluation des erreurs de non-linéarités de mesure, puis nous avons évalué l'impact des variations de la couche de Sodium. Notre travail intègre l'étape de reconstruction tomographique. Nous avons pu déduire de ces études les paramètres à privilégier dans le dimensionnement de l'ASO, afin d'optimiser la mesure de front d'onde sur EGL pour un ELT
In order to increase the sky coverage in Adaptive Optics (AO), Laser Guide Stars (LOS) are created in the Sodium layer of the atmosphere. These 3D extended objects induce specific problems on the wave front measurement performed by the Wave Front Sensor (WFS). Some of these problems become critical on the Extremely Large Telescopes (ELTs). The goal of this work is to study the specificity of the wavefront analysis on LGS in the framework of the ELTs, and to optimize the WFS measurement accuracy on such objects. We first studied the characterization of the effects of differential focal anisoplanatism on wave front measurements. Using a diffractive propagation model,i. E. Taking into account the effects of phase and amplitude, we have calculated these effects in the case of ELTs. Considering the stage of tomographic phase reconstruction. We have shown that these effects are actually low in amplitude for most applications. We proposed then a simple model to classify the different sources of errors identified in the literature. After showing that the Pyramid WFS and the Shack-Hartmann (SH) had very similar behaviours with regards to these effects, we assessed the différent error terms in the decomposition, considering the case of a SH WFS. We studied in detail the evaluation of the non-linearity error and the sensor noise error. Then we evaluated the impact of the Sodium layer variations, considering analytical profiles as well as real data. We considered also here the stage of tomographic reconstruction. Finally, we managed to deduce from this study the parameters of the WFS to be favored when optimizing the wavefront analysis on LGS, in the case of ELTs

À ce jour, l'identification des sources de Composés Organiques Volatils (COV) a fait l'objet de nombreuses études, afin de déterminer leur contribution à la pollution atmosphérique. Néanmoins, le comportement dynamique de l'atmosphère, dans sa dimension micro-météorologique, n'a jamais été pris en compte dans une approche sources-récepteur. Celui-ci est pourtant essentiel dans l'interprétation des mesures physico-chimiques de la pollution de l'air en champ proche, dans une région urbaine sous influence industrielle. La complexité de ces zones d'études provient non seulement des différents modes d'émissions et de la variété des activités industrielles, mais aussi des phénomènes météorologiques à multi-échelles, qui influent la dispersion et le transport à petite échelle spatiale (typiquement quelques kilomètres). En nous appuyant sur la mesure de 85 COV (dont 23 COV oxygénés) sur une durée de plusieurs mois, nous avons développé une méthodologie novatrice, associant lors de l'analyse des résultats d'un modèle sources-récepteur PMF (Positive Matrix Factorization) des grandeurs météorologiques, pour identifier des sources et comprendre leur comportement dynamique. En introduisant la turbulence verticale, pour la première fois dans ce type d'analyse, la température et le rayonnement solaire, comme paramètre d'analyse des facteurs de comportements ont pu être différenciés, permettant de distinguer les modes d'émissions diffuses et canalisées. Ainsi, nous avons pu classer les sources des COV par nature et par mode d'émissions, et également mettre en évidence des masses d'air âgées contenant des espèces secondaires
Recently, sources apportionment of Volatile Organic Compounds (VOC) has been the subject of a great numbers of studies, in order to determine their contributions to atmospheric pollution. However, the dynamical behavior of atmosphere, within its micro-meteorological scale, has never been taken into account in the sources-receptor approach, yet it is the main factor to interpret near-field physic-chemical measurements of air pollution, in an urban area under industrial influences. The complexity of such a study area results from not only the emission modes and the various industrial activities, but also the meteorological phenomenon in multi-scale, which influences the dispersion and transport in a small scale (tipically several kilometers). With measurements of 85 VOC (including 23 oxygenated VOC) during several months, we have developed an innovative methodology, associating the results of the PMF (Positive Matrix Factorization) modeling and the meteorological parameters, in order to identify the sources and to understand their dynamical behaviors. By introducing the vertical turbulence for the first time in this kind of analysis, the temperature and the solar radiation, as parameters of factor analyses, two behaviors have been distinguished, leading to identify the emissions near ground and in the upper part of surface layer. In this way, we have labeled the sources according to their nature as well as their emission mode, and we have highlighted the aged air mass containing secondary pollutants

À ce jour, l'identification des sources de Composés Organiques Volatils (COV) a fait l'objet de nombreuses études, afin de déterminer leur contribution à la pollution atmosphérique. Néanmoins, le comportement dynamique de l'atmosphère, dans sa dimension micro-météorologique, n'a jamais été pris en compte dans une approche sources-récepteur. Celui-ci est pourtant essentiel dans l'interprétation des mesures physico-chimiques de la pollution de l'air en champ proche, dans une région urbaine sous influence industrielle. La complexité de ces zones d'études provient non seulement des différents modes d'émissions et de la variété des activités industrielles, mais aussi des phénomènes météorologiques à multi-échelles, qui influent la dispersion et le transport à petite échelle spatiale (typiquement quelques kilomètres). En nous appuyant sur la mesure de 85 COV (dont 23 COV oxygénés) sur une durée de plusieurs mois, nous avons développé une méthodologie novatrice, associant lors de l'analyse des résultats d'un modèle sources-récepteur PMF (Positive Matrix Factorization) des grandeurs météorologiques, pour identifier des sources et comprendre leur comportement dynamique. En introduisant la turbulence verticale, pour la première fois dans ce type d'analyse, la température et le rayonnement solaire, comme paramètre d'analyse des facteurs de comportements ont pu être différenciés, permettant de distinguer les modes d'émissions diffuses et canalisées. Ainsi, nous avons pu classer les sources des COV par nature et par mode d'émissions, et également mettre en évidence des masses d'air âgées contenant des espèces secondaires
Recently, sources apportionment of Volatile Organic Compounds (VOC) has been the subject of a great numbers of studies, in order to determine their contributions to atmospheric pollution. However, the dynamical behavior of atmosphere, within its micro-meteorological scale, has never been taken into account in the sources-receptor approach, yet it is the main factor to interpret near-field physic-chemical measurements of air pollution, in an urban area under industrial influences. The complexity of such a study area results from not only the emission modes and the various industrial activities, but also the meteorological phenomenon in multi-scale, which influences the dispersion and transport in a small scale (tipically several kilometers). With measurements of 85 VOC (including 23 oxygenated VOC) during several months, we have developed an innovative methodology, associating the results of the PMF (Positive Matrix Factorization) modeling and the meteorological parameters, in order to identify the sources and to understand their dynamical behaviors. By introducing the vertical turbulence for the first time in this kind of analysis, the temperature and the solar radiation, as parameters of factor analyses, two behaviors have been distinguished, leading to identify the emissions near ground and in the upper part of surface layer. In this way, we have labeled the sources according to their nature as well as their emission mode, and we have highlighted the aged air mass containing secondary pollutants

A partir des équations gouvernant le champ de vitesse, on peut non seulement s'attendre à un vent (fortement) non-gaussien, mais aussi à un vent présentant un comportement scalant. Par 'scalant' ou invariant d'échelle, nous faisons référence à un comportement statistique auto-similaire particulier; les cascades de tourbillons. Les multifractales stochastiques (avec des singularités et des co-dimensions multiples) reproduisent facilement le comportement scalant et les distributions de probabilités à queues épaisses omniprésentes dans le vent et dont la quantification est essentielle pour la communauté. Les quelques paramètres qui définissent ces modèles peuvent être déduits soit de considérations théoriques, soit de l'analyse statistique de données. Nous avons constaté que les approximations de flux basées sur le module du cisaillement du vent donnent des moments statistiques non-scalants et donc des estimations faussées des paramètres multifractals. La méthode DSF n'exige pas cette approximation et garantit un comportement scalant sur une certaine gamme d'échelles. Nous n'avons trouvé aucune estimation véritablement stable d'alpha en utilisant des méthodes standards. Ceci n'arrive plus quand nous optimisons localement (par la différenciation fractionnaire) le comportement scalant du DTM. Nous obtenons alors des estimations très stables de l'indice de multifractalité qui sont en outre en accord (alpha ≤ 2) avec des résultats publiés. Au contraire, les deux autres paramètres (C1 et H) deviennent des fonctions non-linéaires de l'ordre q des moments statistiques. Ces résultats suggèrent que le modèle UM isotrope ne peut être utilisé pour reproduire le cisaillement de vent dans la couche de surface atmosphérique. Lesdites hypothèses sont examinées en utilisant un repère tournant pour analyser l'anisotropie de la vitesse horizontale dans la couche de surface atmosphérique. Cela permet de quantifier la dépendance angulaire de l'exposant de Hurst. Les valeurs de cet exposant restent tout de même conformes aux résultats précédemment publiés. Pour des échelles de temps supérieures à quelques secondes, les deux jeux de données présentent une anisotropie scalante forte, qui décroît avec l'altitude. Nous mettons en évidence une expression analytique de la variation angulaire de l'exposant de Hurst, reposant sur les corrélations entre les composantes horizontales. Ceci pilote la formation des extrêmes du cisaillement, y compris dans le sillage d'une éolienne. Les cisaillements turbulents du vent sont si extrêmes que leur loi de probabilité est une loi de puissance. L'exposant correspondant (qD) est similaire pour les deux sites à une hauteur de 50m (4 ≤ qD ≤ 5), malgré des conditions orographiques très différentes. Nous discutons aussi de ses conséquences en analysant la stabilité de la couche limite atmosphérique et proposons une nouvelle méthode pour sa classification. Enfin, nous démontrons analytiquement que l'anisotropie augmente la probabilité des extrêmes. Ce résultat met en lumière un des nombreux mécanismes de turbulence possibles dans la couche de surface qui peut apparemment surproduire les cisaillements extrêmes du vent, s'ils sont étudiés dans le cadre des UM isotropes. Nous en analysons théoriquement les conséquences sur les estimations des paramètres multifractales par la méthode DTM. Les résultats analytiques obtenus sont en parfait accord avec les observations empiriques. Nous discutons alors de la prise en compte de toutes ces considérations pour faire des simulations multifractales des champs du vent dans la couche limite atmosphérique

L’importance relative des différents mécanismes qui gouvernent l’abondance et la tendance à long terme de vapeur d’eau stratosphérique est encore mal quantifiée. La haute troposphère et la basse stratosphère tropicale (TTL) est la porte d’entrée de toute espèce vers la stratosphère. Les processus tels que le piège froid, les ondes et la convection profonde stratosphérique (overshoot) sont les processus essentiels qui modulent l’abondance de la vapeur d’eau pénétrant la stratosphère.Le projet Stratéole 2, basé sur plusieurs campagnes de ballons longue durée, peut permettre l’étude de ces processus dans toute la ceinture tropicale en apportant une large base de données inédite.Dans le cadre de cette thèse, les mesures de vapeur d’eau in situ réalisées par les 5 instruments Pico-Strat bi-gaz (GSMA/DT INSU) pendant les deux premières campagnes de Stratéole 2, sont analysées pour quantifier l’impact des ondes et de la convection profonde sur le bilan d’eau stratosphérique. Une méthode basée sur le calcul d’anomalies de vapeur d’eau (X’) est développée pour mettre en évidence ces signatures.En extrayant pour chaque vol les perturbations de températures (T’), tiré d’un diagramme de Hovmöller (longitude/temps) le long de la trajectoire du ballon, et en les corrélant aux anomalies de vapeur d’eau, on met en évidence, notamment pour le premier et le dernier vol de la campagne, le rôle majeur que jouent les ondes dans la modulation de vapeur d’eau.Pour d’autres vols, des corrélations plus faibles, voire des anti-corrélations sont obtenues. On montre, en tenant compte du gradient vertical de vapeur d’eau issu de mesures satellites, que ces anti-corrélations sont dues à des déplacements verticaux de masses d’air sous l’influence d’ondes de grande/moyenne échelle.La proportion des X’ compatibles avec un déplacement isentrope des masses d’air dû aux ondes, varie entre 48% et 70% selon les vols, confirmant le rôle majoritaire que peuvent jouer les ondes dans nos mesures.Le rôle de la convection profonde sur X’ est également étudié. Tout d’abord, en utilisant des profils verticaux obtenus lorsque les ballons ont dépressurisé au-dessus de systèmes convectifs profonds. Aucune signature systématique n’est détectée dans ces cas.Entre le 12 et le 15 décembre 2021, deux instruments Pico-STRAT Bi Gaz ont pu réaliser des mesures à proximité du cyclone Rai. Les mesures montrent des processus irréversibles et de fortes hydratations de la basse stratosphère dues à la convection profonde générée dans les bras du cyclone, ce qui est un résultat inédit par des mesures in situ au-dessus de ces systèmes.L’analyse des signatures convectives en utilisant des produits de sommet de nuage (satellites géostationnaires Himawari et GOES) et des rétro-trajectoires par le modèle HYSPLIT, montre que 33 nuits de notre jeu de données in situ voient leurs X’ compatibles avec une hydratation ou déshydratation par des overshoots. Deux cas ont été modélisés par le modèle méso-échelle méso-NH pour confirmer l’origine convective de certaines signatures remarquables. La simulation à 3 grilles imbriquées du cas du 28/01/2020 au-dessus de Sumatra corrobore l’hypothèse d’overshoots stratosphériques à l’origine d’anomalies de vapeur d’eau d’environ 0,6 ppmv.Cette étude montre la capacité de la méthode d’anomalies employée à mettre en évidence des signatures ondulatoires ou des signatures de convection profonde dans la ceinture équatoriale. On souligne l’importance des ondes sur le jeu de mesures, mais également, de quelques cas convectifs extrêmes (cyclone Rai) qu’il conviendra d’étudier en détail dans un futur proche
The relative importance of the different mechanisms governing the abundance and long-term trend of stratospheric water vapour is still poorly quantified. The upper troposphere and tropical lower stratosphere (TTL) is the gateway to the stratosphere for all species. Processes such as the cold trap, waves and deep stratospheric convection (overshoot) are the essential ones that modulate the abundance of water vapor entering the stratosphere.The Stratéole 2 project, based on several long-duration balloon campaigns, will enable us to study these processes throughout the tropical belt, by providing a large, unprecedented database.In this thesis, in situ water vapor measurements made by the 5 Pico-STRAT Bi-Gaz instruments (GSMA/DT INSU) during the first two Stratéole 2 campaigns are analyzed to quantify the impact of waves and deep convection on the stratospheric water balance. A method based on the calculation of water vapour anomalies (X') is developed to highlight these signatures.By extracting the temperature perturbations (T') for each flight, taken from a Hovmöller diagram (longitude/time) along the balloon's trajectory, and correlating them with the water vapour anomalies, we highlight, particularly for the first and last flights of the campaign, the major role played by waves in water vapour modulation.For other flights, we obtain weaker correlations, or even anti-correlations. Considering the vertical water vapour gradient derived from satellite measurements, we show that these anti-correlations are due to vertical displacements of air masses under the influence of large/medium scale waves.The proportion of X' compatible with isentropic displacement of air masses due to waves, varies between 48% and 70% depending on the flight, confirming the major role that waves can play in our measurements.The role of deep convection on X' is also investigated. Firstly, using vertical profiles obtained when balloons depressurized above deep convective systems. No systematic signature is detected in these cases.Between December 12 and 15, 2021, two Pico-STRAT Bi Gaz instruments were able to take measurements in the vicinity of cyclone Rai. The measurements show irreversible processes and strong hydration of the lower stratosphere due to deep convection generated in the cyclone’s arms which is an unprecedented result by in situ measurements over these systems.Analysis of convective signatures using cloud top products (Himawari and GOES geostationary satellites) and back-trajectories by the HYSPLIT model, shows that 33 nights in our in situ dataset have X' consistent with hydration or dehydration by overshoots. one case was modelled by the mesoscale model meso-NH to confirm the convective origin of some remarkable signatures. The 3 nested grid simulation of the case of 28/01/2020 over Sumatra supports the hypothesis of stratospheric overshoots causing water vapour anomalies of around 0,6 ppmv.This study demonstrates the ability of the anomaly method employed to highlight wave signatures or signatures of deep convection in the equatorial belt. It highlights the importance of waves in the set of measurements, as well as some extreme convective cases (cyclone Rai), which will need to be studied in detail in the near future

La turbulence optique et son impact sur les images obtenues à partir d'instruments de mesure est un phénomène connu dans le domaine de l'astronomie. Des modèles issus de la théorie de Kolmogorov, développée pour une turbulence dynamique, ainsi que des méthodes de correction, telles que l'optique adaptative, existent pour l'analyse et la compensation des effets de cette turbulence optique. L'analyse de cette dernière dans les milieux confinés est cependant plus limitée. Les sources susceptibles de générer une turbulence optique dans ces espaces sont pourtant multiples et peuvent avoir un impact non négligeable sur les mesures des instruments installés à proximité. Ce mémoire constitue une première approche de la caractérisation de la turbulence optique dans un espace confiné. Après l'introduction des phénomènes étudiés et des outils mathématiques employés, ce mémoire présente les résultats issus d'analyses de coupoles de télescopes et de caractérisations de salles blanches employées par l'entreprise Thales Alenia Space pour l'intégration et le test d'instruments optiques. Ces résultats sont obtenus avec l'instrument INTENSE, développé durant la thèse pour la caractérisation de la turbulence optique locale via la mesure des fluctuations des angles d'arrivée de multiples faisceaux lasers. En prévision de futurs améliorations de l'analyse de la turbulence en espace confiné, un chapitre du mémoire est dédié aux travaux réalisés sur une méthode d'extraction du profil de l'énergie de la turbulence et à son application sur l'instrument INTENSE. Les conclusions et les perspectives des travaux réalisés pendant la thèse sont présentées à la fin du mémoire
Optical turbulence and its impact on measured images is a well-known phenomenon in astronomy. Models based on the Kolmogorov theory, elaborated for a dynamical turbulence description, and methods, such as Adaptive Optics, were both developed so as to understand and correct the degradations caused by this turbulence. Analysis of the same phenomenon in indoor situation was however less investigated. The local air volume is nonetheless prone to optical perturbations sources which could have non negligible impacts on the measurements of instruments installed at proximity. This document introduces a first approach of indoor optical turbulence characterization. After the introduction of the studied phenomenon and the mathematical tools employed, this thesis present optical turbulence characterizations inside Thales Alenia Space clean rooms used for optical instrument integration and testing. Analyses inside telescope domes are also shown in this document. All the results were obtained using the INTENSE instrument which was developed during the thesis for optical turbulence characterizations using angle of arrival fluctuations of laser beams. In anticipation for future ameliorations of optical turbulence analysis methods, a chapter of this thesis is dedicated to the work made on a turbulence energy profile extraction and its application on the INTENSE instrument. Conclusions and perspectives of the work made during this thesis are presented at the end of the document