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We present a new approach to model complex systems using a generalization of Vehulst’s equations, originally used for population growth, and which allow continuous modeling of discrete systems. Complex systems and their evolution are then broken down into a finite sum of these processes and identified by machine learning. A first application is proposed in the modeling of the SARS-COV2 epidemic, with the breakdown of the first waves into the number of cases or deaths in different countries. Certain peculiar phenomena, such as the arrival of a confinement, can explain the use of such sums to reconstruct the whole phenomenon. A second application concerns composite materials, and in particular, the fragmentation test, for which the same type of approach makes it possible to rebuild the test results and to easily identify the interfacial behavior between the fibers and the matrix. On the same principle, the damage evolution of a specimen during a tensile test will be modeled by finite sums of the fragmentation for each fiber.; On présente une nouvelle approche de la modélisation de systèmes complexes utilisant une généralisation des équations de Verhulst, initialement utilisées pour la croissance de population et qui permettent une modélisation continue de systèmes discrets. Les systèmes complexes et leur évolution sont alors décomposés en somme finie de ces processus et identifiés par machine learning. Une première application est proposée dans la modélisation de l’épidémie de SARS-COV2, avec la décomposition des premières vagues en nombre de cas et de décès dans différents pays. Certains phénomènes particuliers, comme l’arrivée d’un confinement, peuvent expliquer l’utilisation de telles sommes afin de reconstruire le phénomène dans son ensemble. Une seconde application concerne les matériaux composites et en particulier, l’essai de fragmentation, pour lequel le même type d’approche permet de reconstruire les résultats d’essais et d’identifier aisément les comportements interfaciaux entre les fibres et la matrice. Sur le même principe, l’endommagement d’un composite en traction sera alors modélisé par des sommes finies des fragmentations pour chaque fibre.

In the next step magnetic fusion devices like DEMO, a large fraction of power, more than 95%, needs to be dissipated before the plasma impacts the dedicated regions on the wall, the so-called divertor targets. The divertor detachment is one of the solutions envisaged to protect target tiles by keeping the radiation front detached from the target, thus radiating most of the heating power on a larger surface, keeping the heat flux deposit on the target at a manageable level, and reducing the sputtering and accumulation of impurities. The present work is devoted to investigating the strategies to control detachment in the tokamak single null divertor configuration, which is planned for the International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) experiment presently in construction at Cadarache. The detachment must be feedback controlled in real-time to guarantee the continuous production of energy by the reactor and a long life of the plasma-facing components. To develop reliable feedback control methods, the first step is to use good control variables and actuators. With the help of edge numerical simulations and reduced models, this thesis aims to find the more appropriate control variable that will be used in a feedback scheme to adjust the actuators available in fusion reactors. 2D numerical simulations are obtained using SOLEDGE3X-EIRENE transport code with input parameters specially defined to reproduce the experimental scenarios in tokamaks, and more precisely in the TCV tokamak located in Switzerland and the WEST tokamak located in Cadarache, France. Profile feedback control has been developed as an interpretative tool to extract edge plasma transport coefficients from experimental data. Simulation results are compared with available experimental measurements and show good agreement. Modeling density scan is performed via adjusting deuterium gas puffing or impurity seeding to achieve different levels of detachment.The impacts of wall geometry (like divertor closure), impurities, and input power on detachment have been discussed. Simulation results show that the case with a more closed divertor has better performance in trapping the neutral particles and has higher neutral pressure near the target. Increasing the neutral pressure or impurity concentration in the divertor leads to greater power dissipation, thus facilitating the access to the detached regime. Both considering more closed divertor configurations and increasing nitrogen seeding will induce the divertor detachment at lower upstream separatrix density, up to 24% in the cases we have considered. The threshold values of variables like target heat flux, and radiation front height in the divertor for detachment are found to be not significantly affected by the change of divertor closure and impurities concentration. Higher input power can significantly increase the detachment threshold in upstream plasma density, divertor neutral pressure, target particle flux, etc. The dependence of numerical results from few physical quantities is also analyzed with the help of reduced models to find the observables that mostly affect the detachment process. Finally, the relative advantage of the different observables regarding detachment controllability is evaluated. A new criterion for detachment is proposed, which provides a good indicator of the optimal detachment condition in all the analyzed plasma scenarios (the situations with different levels of divertor closure, impurities concentration, and input power). Several strategies for controlling the divertor detachment have been designed based on good control variables and compared with existing control methods. The robustness of a control strategy for WEST tokamak has been investigated by numerical simulations, and it will be tested in future experiments.; Dans les machines de fusion magnétique de prochaine génération, comme DEMO, une grande partie de la puissance injectée et produite par les réactions de fusion doit être dissipée avant que le plasma n'entre en contact avec la paroi au niveau de composants appelés « cibles » dans le divertor. Le détachement du plasma est l'une des solutions envisagées pour protéger les tuiles des cibles en maintenant le front de rayonnement à une certaine distance de la cible. Ceci permet d’évacuer sous forme de rayonnement la majeure partie de la puissance de chauffage sur une plus grande surface et de maintenir le flux de chaleur à des niveaux compatibles avec leur design. Ce travail de thèse se concentre sur l'étude des caractéristiques du plasma détaché dans différentes configurations divertor de deux tokamaks : « TCV », situé en Suisse, et « WEST » situé à Cadarache, en France. Le détachement doit être contrôlé en temps réel pour garantir à la fois une production d’énergie continue par le réacteur, et une durée de vie longue pour composants face au plasma. Pour développer des méthodes de contrôle de rétroaction fiables, la première étape consiste à sélectionner les bonnes variables de contrôle et les bons actionneurs (injection de gaz, d’impureté, etc.). A l’aide de simulations numériques de bord et de modèles réduits, cette thèse vise à trouver la variable de contrôle la plus appropriée qui sera utilisée dans un système de rétroaction pour contrôler les actionneurs disponibles dans les réacteurs de fusion. Des simulations numériques 2D sont obtenues en utilisant le code de transport SOLEDGE3X-EIRENE avec des paramètres d'entrée spécialement définis pour reproduire les scénarios expérimentaux. Pour obtenir ces paramètres, une méthode de contrôle par rétroaction sur le profil du plasma a été développée comme un outil permettant de déterminer les coefficients de transport radial du plasma de bord à partir des données expérimentales. Les résultats des simulations sont comparés aux mesures expérimentales disponibles et montrent un bon accord. Les impacts de la forme géométrique de la paroi (comme le degré de fermeture du divertor), de la quantité d’impuretés injectées, et de la puissance d'entrée sont discutés. Les résultats de la simulation montrent que le cas avec un divertor plus fermé montre de meilleures performances pour piéger les particules neutres, avec une pression neutre plus élevée près de la cible. L’augmentation à la fois de la pression de neutres ou de la concentration en impuretés dans le divertor entraîne une plus grande dissipation de puissance, et facilite l'accès au régime détaché. Un divertor plus fermé, ainsi que l’injection d’azote peuvent permettre au plasma de se détacher avec une densité plasma dans la région centrale plus faible (jusqu'à 24%) dans les cas que nous avons examinés. Les valeurs seuils à partir desquelles le plasma détache pour les paramètres tels que le flux de chaleur sur la paroi et la hauteur du front de rayonnement ne sont pas significativement affectés par la modification de la fermeture du baffle ou la concentration d'impuretés. Une puissance d'entrée plus élevée peut augmenter de manière significative le seuil de détachement en termes de densité du plasma en amont, de la pression neutre du divertor, du flux de particules cibles, etc. La dépendance des résultats numériques pour quelques quantités physiques est également analysée à l’aide de modèles réduits pour trouver les observables qui affectent principalement le processus de détachement.Enfin, les avantages relatifs des différentes observables au regard la contrôlabilité du détachement sont analysés. Un nouveau critère pour le détachement est proposé, fournissant un bon indicateur de l’état de détachement optimal dans tous les scénarios de plasma analysés (les situations avec différents degré de fermeture du divertor, concentration d’impuretés, et puissance d’entrée). Plusieurs stratégies de contrôle du détachement du divertor sont conçues en fonction des variables de contrôle choisies et comparées aux méthodes de contrôle existantes. La robustesse d’une stratégie de contrôle du tokamak WEST est étudiée par des simulations numériques, et sera testée dans de futures expériences.

Glacier flow over rough hard beds is controlled by basal processes, such as friction, the opening of cavities behind obstacles and any interaction between the glacier bed and basal ice. In this PhD, we study a multitude of these processes.Current theories to describe drag of glaciers over hard beds are formulated on the basis that ice is free of debris and slides without friction over the glacier bed.However, debris at the basal layers and cold ice cause additional resistance to glacier flow.We provide an analytical model of glacier sliding that accounts for the effect of local shear stress at the ice-bed interface in the framework of Weertman (1957), and expand the solution to account for the opening of cavities.This additional drag slows glacier sliding but due to additional strain enhancement of the basal ice, the viscosity of the ice decreases and the basal speed is higher than expected.The inclusion of local shear stress makes the friction law implicit, complicating the identification of scaling parameters from the geometry alone.We further study this problem using a numerical finite element model of glacier sliding over a sinusoidal bed under steady-state conditions.We find that the law with non-zero local shear stress at the base retains the overall form of the friction law with zero local shear stress, such that an appropriate scaling can be obtained.The similarity between a friction law with zero and non-zero local shear stress is convenient for generalising empirical friction laws at the field scale, although it complicates the identification of the effect of local shear stress on glacier flow.Glacier internal deformation is controlled by the ice rheology which is described by the Glen’s law through two material parameters, the creep factor A and the flow law exponent n.There is great uncertainty in the values of these parameters as a result of scarce observations at the natural scale.One of the techniques that has been used to study ice deformation and constrain material properties is borehole inclinometry.We present here the results of an inclinometry study carried out at the ablation zone of Glacier d'Argentière, a temperate glacier in the French Alps.We monitored glacier deformation during 2020 with borehole-installed tiltmeters that record tilt change every 30 minutes. We are able to reconstruct the deformation rates profile with depth and the deformation velocity. Complementing our dataset with a dense network of GPS stations we are able to indirectly observe the basal velocity during the studied period. We infer the rheological parameters by comparing our observations with the deformation rates retrieved with a three-dimensional model solving the Stokes equation.We demonstrate that the yearly-averaged deformation rates profile has limited sensitivity to the flow law exponent n and instead mainly reflects an increase in the creep factor A with depth which could be explained with depth-increasing interstitial water content.The depth-averaged creep factor is found to be 1.5 times higher than the recommended one for temperate ice. We further show that internal ice deformation exhibits seasonal variability, such that surface velocity changes cannot be attributed solely to changes in basal conditions.At longer timescales, surface velocity variability is better explained with changes in the deformation rates, while shorter velocity variability (weeks or days) is better explained with changes in basal velocity.Further work remains to be conducted in order to confirm if the observed creep enhancement is due to depth-increasing water content, and to determine the causes behind the seasonal changes in internal deformation and basal velocity. Our results will help future assessment of the state and evolution of the cryosphere.; L'écoulement des glaciers sur des lits durs et rugueux est contrôlé par des processus basaux, tels que la friction, l'ouverture de cavités derrière des obstacles et toute interaction entre le lit du glacier et la glace basale. Dans cette thèse, nous étudions une multitude de ces processus.Les théories actuelles pour décrire la traînée des glaciers sur des lits durs sont formulées sur la base que la glace est exempte de débris et glisse sans friction sur le lit du glacier.Cependant, les débris dans les couches basales et la glace froide causent une résistance supplémentaire à l'écoulement.Nous fournissons un modèle analytique du glissement des glaciers qui tient compte de l'effet de la contrainte de cisaillement locale à l'interface glace-lit dans le cadre de Weertman (1957), et étendons la solution pour tenir compte de l'ouverture des cavités.Cette traînée supplémentaire ralentit le glissement du glacier, mais en raison de l'augmentation de la déformation de la glace basale, la viscosité diminue et la vitesse basale est plus élevée que prévu.L'inclusion de la contrainte de cisaillement locale rend la loi de friction implicite, ce qui complique l'identification des paramètres d'échelle à partir de la géométrie seule.Nous constatons que la loi avec une contrainte de cisaillement locale non nulle à la base conserve la forme générale de la loi de friction avec une contrainte de cisaillement locale nulle, de sorte qu'une mise à l'échelle appropriée peut être obtenue. La similitude entre une loi de friction avec une contrainte de cisaillement locale nulle et non nulle est pratique pour généraliser les lois de friction empiriques à l'échelle du champ, bien qu'elle complique l'identification de l'effet de la contrainte de cisaillement locale sur l'écoulement des glaciers. La déformation interne des glaciers est contrôlée par la rhéologie de la glace qui est décrite par la loi de Glen à travers deux paramètres matériels, le facteur de fluage A et l'exposant n de la loi d'écoulement. Il existe une grande incertitude quant aux valeurs de ces paramètres en raison de la rareté des observations à l'échelle naturelle. Nous présentons ici les résultats d'une étude d'inclinométrie réalisée dans Glacier d'Argentière, un glacier tempéré des Alpes françaises.Nous avons suivi la déformation du glacier au cours du 2020 grâce à des inclinomètres installés dans des forages qui enregistrent les changements d'inclinaison toutes les 30 minutes.Nous pouvons reconstruire le profil des taux de déformation avec la profondeur et la vitesse de déformation. Nous complétons notre ensemble de données par un réseau de stations GPS qui permet d'observer la vitesse basale pendant la période étudiée.Nous déduisons les paramètres rhéologiques en comparant nos observations avec les taux de déformation obtenus à l'aide d'un modèle tridimensionnel résolvant l'équation de Stokes.Le profil des taux de déformation en moyenne annuelle a une sensibilité limitée à l'exposant n de la loi d'écoulement et reflète principalement une augmentation de A avec la profondeur qui pourrait être expliquée par une augmentation de la teneur en eau interstitielle en profondeur.Nous montrons également que la déformation interne de la glace présente une variabilité saisonnière, de sorte que les changements de vitesse de surface ne peuvent être attribués uniquement aux changements des conditions basales. Sur des échelles de temps plus longues, la variabilité de la vitesse de surface est mieux expliquée par les changements dans les taux de déformation, tandis que la variabilité de la vitesse plus courte est mieux expliquée par les changements à la base.D'autres travaux restent à mener pour confirmer si l'augmentation du fluage observée est due à l'augmentation de la teneur en eau, et déterminer les causes des changements saisonniers de la déformation et de la vitesse basale. Nos résultats contribueront à l'évaluation future de l'état et de l'évolution de la cryosphère.

Dans le cadre du projet ICarRE4Farms visant à réduire les émissions de gaz à effet de serre dans le secteur de l'agriculture en Europe du Nord-Ouest, une installation solaire spécifique a été instrumentée pour étudier ses performances. L'objectif est de réduire la consommation d'énergie fossile pour les applications ayant un besoin journalier important en eau chaude. L'installation a pour objectif de fournir en eau chaude (température supérieure à 80$^{\circ}$C) une exploitation de veau de boucherie deux fois par jour. Elle est composée de 16 chauffe-eaux solaires thermosiphon à tubes sous vide et réservoir associé non pressurisé. La spécificité de l'installation est liée à son arrangement alternant capteurs solaires connectés en série et capteurs reliés en parallèle. Cette disposition permet à la fois le préchauffage ainsi que le stockage de l'eau chaude. Elle n'a pas la prétention de remplacer entièrement les systèmes de chauffage traditionnel mais à réduire leur contribution de 50 à 70\%. Le modèle du capteur unitaire a été créé sur le logiciel TRNSYS 18 durant des travaux antérieurs à partir de types préexistants adaptés à la configuration du dispositif. La modélisation de l'installation complète a été effectuée afin de pouvoir simuler l'énergie fournie par l'installation solaire pour d'autres sites ou configurations. La calibration et la validation du modèle sont présentées dans le cadre de cette communication. La première étape consiste à mener une analyse de sensibilité à l'aide de la méthode de criblage de Morris. Elle est souvent utilisée grâce à sa fiabilité et son coût de calcul plus faible comparé aux autres techniques. Elle a permis de déterminer les paramètres du modèle les plus influents. Les coefficients relatifs à l'efficacité du capteur, deux paramètres utilisés pour le calcul du débit thermosiphon, le coefficient de déperdition thermique du réservoir et l'albédo constituent un jeu de paramètres initiaux. Ensuite, une méthode d'optimisation est exploitée afin de minimiser l'écart entre l'énergie simulée et mesurée permettant de déterminer les paramètres retenus à l'issue de l'étude de sensibilité. Ici, un algorithme d'optimisation par essaims particulaires avec coefficient de constriction est utilisé. Enfin, le modèle est confronté aux mesures effectuées durant deux périodes avec des conditions météorologiques différentes. A terme, l'objectif du modèle sera d'aider au dimensionnement des installations, à l'évaluation de leur potentiel énergétique et à l'étude de l'incidence de la modification de paramètres (orientation, inclinaison, albédo…) dans le but de maximiser la production d'énergie et donc la réduction de la consommation d'énergies fossiles.

SinceMay 2018,Mayotte Island has been experiencing seismo-volcanic activities that could trigger submarine landslides and, in turn, tsunamis. To address these hazards, we use the HySEA numerical model to simulate granular flow dynamics and the Boussinesq FUNWAVE-TVD numerical model to simulate wave propagation and subsequent inundations. We investigate 8 landslide scenarios (volumes from 11.25£106 m3 to 800£106 m3). The scenario posing the greatest threat involves destabilization on the eastern side ofMayotte’s lagoon at a shallowdepth and can generate sea-surface deformations of up to 2 m.We show that the barrier reef surroundingMayotte plays a prominent role in controlling water-wave propagation and in protecting the island. The tsunami travel time to the coast is very short (a few minutes) and the tsunami is not necessarily preceded by a sea withdrawal. Our simulation results provide a key to establishing hazard maps and evacuation plans and improving early-warning systems, Depuis mai 2018, l’île deMayotte connaît une activité sismo-volcanique importante susceptible de déclencher des glissements de terrain sous-marins générant des tsunamis. Pour faire face à ces aléas, nous utilisons deux modèles numériques complémentaires : le modèle HySEA (simulant la dynamique des écoulements granulaires) et le modèle Boussinesq FUNWAVE-TVD (simulant la propagation des vagues et les inondations) pour étudier 8 scénarios de glissements sous-marins potentiels (volumes de 11,25£106 m3 à 800£106 m3). Les scénarios ayant le plus d’impact se situent à proximité de Petite Terre et à faible profondeur. Ils peuvent générer une élévation de la surface de la mer jusqu’à 2 m en zone habitée à Petite Terre. Nous montrons que la barrière de corail entourant Mayotte joue un rôle prépondérant dans le contrôle de la propagation des vagues et dans la protection de l’île. Le temps de trajet du tsunami jusqu’à la côte est très court (quelques minutes) et le tsunami n’est pas nécessairement précédé d’un retrait maritime. De telles observations sont essentielles pour construire des cartes d’aléas précises et des plans d’évacuation afin d’aider la population

International audience

This study aims at better understanding the variability of the Red River plume in the Gulf of Tonkin (GOT) in the mid and far field area using a numerical modeling approach. Understanding the plume variability and the fate of the delta waters is of primary importance for an in-depth knowledge and a better prediction capacity of the ocean circulation and hydrology in the GOT, for an improved management of coastal waters and monitoring of the coastal ecosystems. In the first part of the thesis, the SYMPHONIE model is configured with realistic forcings and a high-resolution variable grid relying on the configuration of V. Piton (2019). It is then run over a 6-year (2011-2016) period to study the daily to interannual variability of the Red River plume and of three rivers whose mouths are nearby. It is then validated with several observational data sources. Then, the plume is identified using simulated passive tracers. Using a K-means unsupervised machine learning algorithm, the main patterns of the plume and their evolution in time are classified in four clusters, analyzed and linked to different environmental conditions. In winter, the plume is narrow and sticks along the coast most of the time due to the downcoast current and northeasterly wind. In early summer, the southwest monsoon wind makes the plume flow offshore. The plume reaches its highest coverage in September after the peak of runoff. Vertically, the plume thickness also shows seasonal variations. In winter, the plume is mixed over the whole water depth, while in summer, the plume can be detached both from the bottom and the coast. The plume can deepen offshore in summer, due to strong wind (in May, June) or specifically due to a recurrent eddy occurring near 19°N (in August). This first part was published in 2021. The clustering analysis above shows that whatever the cluster, the plume is strongly affected by the wind. Therefore, in the second part of this thesis, I use an ensemble of simulations to assess the model response to perturbations added to the wind forcing. The sensitivity of the simulation presented in the first part is statistically evaluated by calculating the spread and the distribution of the variables of interest from an ensemble of 50 members. Due to computing and memory constraints, this study is performed over a short period, from June to August 2015, corresponding to the high runoff season. Firstly, the error of the forcing wind is estimated by comparing it with a satellite product. Then, its impact onto the model is assessed for surface and subsurface variables. For the sea surface temperature and salinity, the uncertainty is higher near the Vietnamese coast and the Red River delta. Vertically, the uncertainty is highest at the surface for salinity and at the sub surface for temperature. The sensitivity of the river plume is then analyzed. The spread of the plume area is highest in August, which is the same time when the plume area reaches its peak. The clustering analysis shows some cluster shifts between different members of the ensemble, but the cluster that is most likely to occur is still the one from the reference simulation (with unperturbed wind). These limited changes suggest that the results of part I are indeed robust to the wind forcing errors. Finally, the ensemble is verified using the available observational datasets.; Cette étude vise à mieux comprendre la variabilité du panache du Fleuve Rouge dans le Golfe du Tonkin (GOT) dans la zone proche de l'embouchure et plus au large, en utilisant la modélisation numérique. Comprendre la variabilité du panache et le devenir des eaux du delta est d'une importance capitale pour une connaissance approfondie et une meilleure capacité de prédiction de la circulation océanique et de l'hydrologie dans le GOT, ainsi que pour une meilleure gestion des eaux côtières et surveillance des écosystèmes côtiers. Dans la première partie de la thèse, une configuration du modèle SYMPHONIE est mise en place avec des forçages réalistes et une grille à haute-résolution variable, sur la base de la configuration de V. Piton (2019). Une simulation sur une période de 6 ans (2011-2016) est réalisée pour étudier la variabilité journalière à interannuelle du panache du Fleuve Rouge et de trois rivières dont l'embouchure est voisine. La simulation est ensuite comparée à plusieurs sources d'observations. Ensuite, le panache est identifié à l'aide de traceurs passifs injectés dans la simulation. En utilisant un algorithme d'apprentissage automatique non supervisé (K-means), les principaux régimes du panache et leur évolution dans le temps sont classifiés et analysés selon quatre clusters, puis liés à différentes conditions environnementales. En hiver, le panache est étroit et reste la plupart du temps le long de la côte en raison du courant côtier et du vent de nord-est. Au début de l'été, le vent de la mousson du sud-ouest fait s'écouler le panache vers le large. Le panache atteint sa plus grande couverture en septembre, après le pic du débit. Sur la verticale, l'épaisseur du panache montre également des variations saisonnières. En hiver, le panache est mélangé sur toute la colonne d'eau, alors qu'en été, le panache peut être détaché à la fois du fond et de la côte. Le panache peut s'approfondir au large en été, en raison de vents forts (en mai, juin) ou spécifiquement en raison d'un tourbillon récurrent se produisant près de 19°N (en août). Cette première partie a fait l'objet d'une publication en 2021. L'analyse en clusters ci-dessus montre que, quel que soit le cluster, le panache est fortement affecté par le vent. Par conséquent, dans la deuxième partie de cette thèse, j'utilise un ensemble de simulations pour évaluer la réponse du modèle aux perturbations ajoutées au vent forçant. La sensibilité de la simulation présentée dans la première partie est évaluée statistiquement en calculant la dispersion et la distribution des variables d'intérêt à partir d'un ensemble de 50 membres. En raison des contraintes de calcul et de mémoire, cette étude est réalisée sur une courte période, de juin à août 2015, correspondant à la saison de fort débit. Tout d'abord, l'erreur sur le vent forçant est estimée par comparaison avec un produit satellitaire. Ensuite, son impact sur le modèle est évalué pour les variables de surface et de subsurface. Pour la température et la salinité de surface, l'incertitude est plus élevée près de la côte vietnamienne et du delta du fleuve Rouge. Sur la verticale, l'incertitude est la plus forte à la surface pour la salinité et en sub-surface pour la température. J'analyse ensuite la sensibilité du panache de la rivière. La dispersion de la surface du panache est maximale en août, qui est aussi la période où la surface du panache est la plus grande. L'analyse en clusters montre quelques changements de clusters entre les différents membres de l'ensemble, mais le cluster le plus susceptible de se produire est toujours celui de la simulation de référence (avec le vent non perturbé). Ces changements limités suggèrent que les résultats de la partie I sont effectivement robustes aux erreurs de forçage du vent. Enfin, l'ensemble est vérifié en utilisant les jeux d'observations disponibles.

Simulating the radiative impact of clouds is challenging for atmospheric models, because cloud-radiation interactions are driven by the optical properties of individual cloud particles. These properties depend on the size of the particle and the frequency of light, two quantities not fully resolved in atmospheric models, implying that cloud optical properties need to be parameterized. In this thesis we focus on quantifying the uncertainties in shortwave (SW) cloud radiative impact due to the SW optical properties parameterization of liquid clouds. Uncertainties are first due to the Droplet Size Distribution (DSD) shape assumption required in two steps: 1- to estimate the cloud droplets effective radius (reff) from liquid water content (LWC) and droplet number concentration (N); 2- to compute the single scattering properties (SSPs) as a function of reff. Uncertainties also arise from averaging SSPs over wide spectral bands. To assess these uncertainties, a set of new parameterizations corresponding to various DSD shapes and spectral averaging methods are designed and implemented in the radiative code ecRad. Using this updated version of ecRad, we perform offline simulations to compute the bulk radiative properties (reflectance, transmittance, absorptance) of various clouds (defined in terms of LWC and N), including a homogeneous cloud, more realistic case studies, and outputs of a climate model. The results show that the transmittance/reflectance of the cloud can vary up to 20% depending on the assumed DSD. Likewise, differences up to 20% are obtained for atmospheric heating rates. The impact of the DSD shape assumption on reff (resp. SSPs) estimation contributes to around 80% (resp. 20%) of the total uncertainty. Spectral averaging is less an issue, except for atmospheric absorption. Overall, global shortwave cloud radiative effect can vary by 6~W~mdollar^{-2}dollar depending on the assumed DSD shape, which is about 13% of the best observational estimate. To complement these offline simulations and investigate how differences in radiative forcing feed back on cloud evolution, the updated version of ecRad is implemented in the atmospheric model Meso-NH. In addition, the DSD shape assumed in ecRad is made consistent with the DSD shape assumed in the 2-moment microphysical scheme of Meso-NH, LIMA. 1D simulations of a stratocumulus cloud are performed with various DSD shapes affecting simultaneously LIMA, the reff estimation and the SSPs parameterization. The direct impact of the DSD on the simulated radiative forcing is assessed, and the indirect effects that results from interactions of radiation with other components of the model are discussed as well. In these interactive simulations, the estimation of reff remains the main source of differences, and the obtained direct effects are in line with the offline simulations. Throughout the simulation, the differences in radiative fluxes and heating rates progressively impact the vertical profiles of temperature, LWC and N, enhancing the feedback since reff depends on these two quantities.This case study highlights the complexity of the cloud-radiation interactions, which deserve further investigation to fully understand the primary physical mechanisms at stake. Finally, these Meso-NH simulations point out the sensitivity to the LW cloud properties, that should in the future be treated as carefully as the SW.; Représenter correctement l'impact radiatif des nuages est un vrai défi pour les modèles atmosphériques, du fait que les interactions rayonnement-nuages sont contrôlées par les propriétés optiques des particules nuageuses. Ces propriétés dépendent de la taille des particules, et de la longueur d'onde du rayonnement, deux éléments qui ne sont pas bien résolus dans les modèles atmosphériques, si bien que les propriétés optiques doivent être paramétrisées. Dans ce manuscrit nous nous efforçons de quantifier les incertitudes sur l'impact radiatif des nuages dans le spectre solaire (SW) liées à la paramétrisation des propriétés optiques des nuages liquides. Les incertitudes proviennent en premier lieu de l'hypothèse faite sur la forme de la distribution de taille des gouttelettes (DSD), qui intervient dans: 1- l'estimation du rayon effectif des gouttelettes (reff) à partir du contenu en eau (LWC) et de la concentration en nombre des gouttelettes (N); 2- le calcul des propriétés de diffusion simple (SSPs) à partir de reff. Des incertitudes sont également liées au moyennage spectral nécessaire pour calculer les SSPs sur des bandes larges. Pour rendre compte de ces incertitudes, un nouveau jeu de paramétrisations des SSPs est développé et implémenté dans le code radiatif ecRad, couvrant un grand nombre de formes de DSD et de méthodes de moyennage spectral. Cette version améliorée d'ecRad est utilisée pour simuler les propriétés radiatives (transmittance, réflectance, aborbance) d'une grande variété de nuages définis en termes de LWC et N, comprenant un nuage homogène idéalisé, des cas d'étude plus réalistes, et des sorties d'un modèle de climat. Ces simulations montrent que la transmittance/réflectance d'un nuage peut varier de 20% en changeant simplement la forme de la DSD. Des différences de l'ordre de 20% sont également obtenues pour les taux de chauffage atmosphérique. L'impact de la forme de la DSD sur l'estimation de reff contribue pour 80% à l'incertitude totale, le reste étant lié à l'impact sur les SSPs. Le moyennage spectral a moins d'influence, si ce n'est sur l'absorption au sein du nuage. A l'échelle globale nous estimons que le forçage radiatif des nuages peut varier de 6~W~mdollar^{-2}dollar selon la forme de DSD supposée, ce qui correspond à environ 13% du forçage radiatif SW des nuages. Afin de compléter ces simulations de transfert radiatif, et d'étudier comment des différences de forçage radiatif se répercutent sur l'évolution des nuages, la version améliorée d'ecRad a été implémentée dans le modèle atmosphérique Méso-NH. Par ailleurs, la forme de la DSD utilisée dans le code radiatif est rendue cohérente avec celle supposée dans le schéma microphysique à deux moments de Méso-NH, LIMA. Des simulations 1D de stratocumulus sont réalisées en supposant différentes formes de DSD, à la fois dans LIMA et pour l'estimation de reff et des SSPs. L'impact direct de la DSD sur le forçage radiatif est évalué, et les effets indirects qui résulte des rétroactions du rayonnement sur les autres caractéristiques physiques sont également abordées. Dans ces simulations interactives, l'estimation de reff reste la principale source des différences, et les effets directs obtenus sont en accord avec les simulations hors-ligne. Au cours de la simulation les différences de flux radiatifs et de taux de réchauffement modifient progressivement les profils verticaux de température, de LWC et de N, ce qui renforce les différences liées à dollar_mathrm{eff}dollar, puisqu'il dépend de ces quantités. [...]

This thesis develops a field electron emission model to simulate the emission of electrons by quantum tunneling enabled by the local field enhancement around the apex of micro/nanostructures located at a cathode surface. The study focuses more specifically on the self-heating of the emitting structures caused by the combined action of the Joule and Nottingham effects that come along with the electric current. When the local field reaches several gigavolts per meter, the positive feedback loop between current and temperature can cause the thermal destruction of the emitters. This phenomenon reduces the lifetime of electron sources that are based on field emitter arrays and can also be the cause of an electrical breakdown damaging ultra-high-voltage vacuum devices. By solving in time the coupled heat and current equations using a finite element method, the simulations offer new insights into the evolution of the electron emission. In particular, a thorough parametric analysis has unveiled for some specific cases the occurrence of a previously undocumented thermal instability which is related to the inversion of the Nottingham effect. The simulations show that this instability causes the thermal failure to occur sooner for carbon nanometric emitters whose properties approximate the experimental situation of an electron source currently under development. In parallel, a study of the electrical and thermal interac- tions between nearby emitters enabled us to develop an efficient method of dimension reduction from 3D to N×2D to ease the simulation of the self-heating of a large number N of axisymmetric emitters. This method could help to systematically take into account the emitter self-heating in such configurations., Cette thèse développe un modèle d’émission électronique par effet de champ pour simuler l’émission d’électrons par effet tunnel rendue possible par le renforcement de champ électrique au sommet de structures micro/nanométriques distribuées à la surface d’une cathode. Plus spécifiquement, l’étude porte sur l’autoéchauffement des structures émettrices par l’action combinée des effets Joule et Nottingham qui accompagnent l’émission. Lorsque le champ local atteint plusieurs gigavolts par mètre, la boucle de rétroaction positive entre courant et température peut causer la destruction thermique des émetteurs. Ce phénomène réduit la durée de vie des sources d’électrons basées sur des réseaux d’émetteurs et peut être à l’origine d’un claquage électrique dommageable pour les machines opérant sous vide à très haute tension. En résolvant temporellement par la méthode des éléments finis les équations couplées de la chaleur et du courant, les simulations offrent un éclairage nouveau sur l’évolution de l’émission électronique. En particulier, une analyse paramétrique approfondie a permis de mettre en évidence un phénomène de bistabilité thermique, non documenté jusqu’ici. Cette bistabilité est reliée à un emballement de l’effet Joule ensuite amorti par l’effet Nottingham devenu refroidissant. Lorsque l’amortissement est insuffisant, l’instabilité résistive cause la destruction prématurée des émetteurs, comme observé pour le cas d’émetteurs nanométriques en carbone dont les propriétés s’approchent de la situation expérimentale d’une source d’électron actuellement en développement. En parallèle, une étude des interactions électriques et thermiques entre émetteurs proches a abouti sur une méthode efficace de réduction de dimension 3D vers N×2D pour simplifier la simulation de l’autoéchauffement d’un grand nombre N d’émetteurs axisymétriques. Cette méthode pourrait permettre de généraliser la prise en compte de l’autoéchauffement dans ce type de configuration.