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# SECTION V

## MÉTÉOROLOGIE ET PHYSIQUE
DE L'ATMOSPHÈRE
TABLE DES MATIERES

<table><thead><tr><th></th><th>Pages</th></tr></thead><tbody><tr><td>I – Physique des phénomènes convectifs et turbulents dans la basse atmosphère<br>R.G. SOULAGE</td><td>143 3</td></tr><tr><td>II – Détermination de la couverture nuageuse et de la température superficielle à<br>petite échelle à partir des mesures de satellites NOAA<br>C. PASTRE</td><td>150 10</td></tr><tr><td>III – Physico-chimie de la basse atmosphère<br>J. FONTAN, G. LAMBERT</td><td>151 11</td></tr><tr><td>IV – Météorologie de la neige<br>F. DELSOL</td><td>154 14</td></tr><tr><td>V – Recherches associées à la télédetection des précipitations par radar<br>G. FROMENT, S. GODARD, P. WALDTEUFEL</td><td>156 16</td></tr><tr><td>VI – Le système VIZIR<br>R. LASBLEIZ</td><td>160 20</td></tr><tr><td>VII – Simulation numérique des circulations atmosphériques et modèles de prévision<br>D. ROUSSEAU</td><td>163 23</td></tr><tr><td>VIII – Théorie de la turbulence et couche limite<br>J.C. ANDRE</td><td>166 26</td></tr></tbody></table>
# I – PHYSIQUE DES PHENOMENES CONVECTIFS ET TURBULENTS DANS LA BASSE ATMOSPHERE

R.G. SOULAGE

Professeur à l'Université de Clermont-Ferrand
B.P. 45 - 63170 Aubière

La France a développé de 1971 à 1974, à travers son VIᵉ Plan Recherche, les études qu'elle avait initiées pendant la période précédente sur la dynamique de la basse atmosphère à l'échelle aérologique.

Ces études ont porté sur l'évaluation quantitative et la détermination des mécanismes des transferts de quantité de mouvement, chaleur sensible, chaleur latente, matière dans la couche limite de surface, la couche limite planétaire et l'atmosphère libre. Elles ont concerné la structure thermodynamique et dynamique de chaque couche, la formation et l'érection de nuage en leur sein, la constitution de ces nuages et le développement de leurs précipitations.

Les travaux correspondants ont été menés dans le cadre de l'Opération "Convection Atmosphérique" et l'Opération "Couche limite Planétaire", animées et supportées par la D.G.R.S.T., le C.N.R.S., l'I.N.A.G. et la D.R.M.E. (1).

Ils ont associé des laboratoires du C.N.R.S., de l'Université, de la Météorologie Nationale, du C.N.E.T., de l'E.D.F. et de l'I.N.R.A. (1).

On peut distinguer des développements techniques communs à la plupart des études et des recherches propres à chacun des trois grands domaines de la basse atmosphère : la couche limite de surface, la couche limite planétaire, l'atmosphère libre.

## TRAVAUX TECHNIQUES

Un effort particulier a porté sur le développement de moyens nouveaux pour appréhender "in situ" les paramètres qui gouvernent les différents phénomènes.

Un aérocommander de l'I.G.N. (1) a été instrumente par une équipe de l'I.N.A.G. (RAVAUT) pour la mesure fine de la température, de la pression, de l'humidité, des trois composantes du vent. Dans ce but, l'avion a été équipé d'une perche de mesure dotée de girouettes d'incidence et de dérapage et des principaux capteurs, d'une centrale à inertie, d'un radar doppler de navigation, d'un hygromètre Lyman alpha, ..., le tout raccordé à des dispositifs d'acquisition de données de types divers (graphiques, photographiques, magnétiques, analogiques et numériques). L'équipe de l'avion s'est attachée, avec le laboratoire de
Dynamique et Microphysique de l'Atmosphère (L.D.M.A.) de Clermont-Ferrand (ISAKA et collaborateurs, 1975), à refaire la physique des différentes mesures et à mettre au point des procédures de vol et des méthodes de traitement des données permettant d'obtenir les paramètres thermodynamiques et dynamiques de l'atmosphère avec une résolution spatiale de 10 m.

Un DC7 des Armées, déjà équipé pour des mesures météorologiques classiques, a été doté d'équipements supplémentaires en vue des opérations ci-dessus (RAMOND, GAYET, 1974). Actuellement, l'avion est équipé de senseurs de température, pression et humidité, d'une plate-forme inertielle et d'un radar doppler de navigation permettant de restituer le vent le long de la trajectoire, d'un radar météorologique 3 cm, des trois capteurs de spectres dimensionnels de gouttes de nuage de Knollenberg (couvrant la gamme 0,5-4500 μ), d'un capteur de teneur en eau totale de Ruskin, de caméras pour la photogrammétrie de nuages, de divers radiomètres, de dispositifs d'éjection de dropsondes, ... Il constitue un outil majeur pour l'étude des atmosphères interne et externe des nuages convectifs profonds, ainsi que pour l'étude des phénomènes de couche limite océanique sur de très longues distances.

Les deux avions ci-dessus s'ajoutent à un CESSNA 260 du C.A.E.M. (1), équipé pour la mesure des paramètres thermodynamiques, dont la discipline disposait déjà au cours de la période précédente.

A côté de ces avions, la discipline s'est dotée de nombreux moyens mobiles de mesures terrestres (unités de radiosondage, unités de photogrammétrie de nuages, pylônes instrumentés, ballons captifs, radars, sodars, ...).

Dans le domaine des mesures indirectes, l'I.O.P.G. a amélioré un radar 10 cm pour l'étude des trajectoires d'orages et la mesure de la réflectivité de leurs précipitations en le dotant d'un dispositif d'acquisition de données digital (GODARD). Le même laboratoire a amélioré la résolution d'un radar 0,86 cm en lui adjoignant un système de traitement de signal à intégrateur multivoies qui permet un gain de la sensibilité, de la capacité d'analyse et de la résolution (SAUVAGEOT, 1972) ; la Météorologie Nationale s'est intéressée aux possibilités de mesures de l'intensité de la pluie au moyen d'un radar 10 cm (radar Mélodi) à haute résolution ; le C.N.E.T. a construit 2 radars doppler 5 cm pour l'étude des champs de vent à l'intérieur des nuages de convection profonde. L'I.O.P.G., le C.N.E.T. (AUBRY, DUBOSCLARD, SPIZZICHINO, 1974) ont construit plusieurs sodars pouvant fonctionner soit en monostatique, soit en multistatique, pour l'étude de la structure des très basses couches de l'atmosphère. Le laboratoire d'Optique Atmosphérique de Lille a développé des radiomètres et des méthodes d'inversion de l'équation de transfert pour retrouver les profils verticaux de température et d'humidité au moyen de mesures radiométriques à bord d'avions ou de satellites (cf. Rapports séparés).

Enfin, la Météorologie Nationale et le C.N.E.S. continuent à développer la technique d'un ballon captif capable d'atteindre la stratosphère et d'y séjourner pour y observer l'organisation de la convection atmosphérique et pour effectuer différentes mesures du rayonnement terrestre (projet ESSOR : VILLEVIEILLE, 1971). Le L.M.D. (1) et le C.N.E.S. (1) poursuivent l'étude de ballons plafonnant à bas niveaux pour évaluer les forces de frottement dans la couche limite planétaire (MOREL).

## ETUDE DE LA COUCHE LIMITE DE SURFACE

Des problèmes de turbulence à petite échelle et de diffusion de polluants au voisinage de pistes d'atterrissage d'avions ont été étudiés à l'occasion de la construction, puis de la

<footnote>(1) C.A.E.M. : Centre Aérien d'Etudes Météorologiques.
I.O.P.G. : Institut et Observatoire de Physique du Globe du Puy de Dôme,
L.M.D. : Laboratoire de Météorologie Dynamique,
C.N.E.S. : Centre National d'Etudes Spatiales.</footnote>
mise en service, d'un nouvel aérodrome à Paris (Aérodrome Charles de Gaulle à Roissy). DRUILHET (1973) a utilisé dans ce but la diffusion du thoron émis localement par le sol, en complément à des mesures thermodynamiques et dynamiques directes effectuées par SAISSAC (1970) au moyen d'un pylône instrumenté. Les caractéristiques de l'émission du thoron par le sol en fonction des conditions météorologiques et les coefficients de diffusivité ont pu être précisées.

L'I.N.R.A. (DAMANEZ, PERRIER, ITIER), en collaboration avec DRUILHET et GUDELALIA (1974, 1975), ont étudié les transferts de quantités de mouvement, de chaleur sensible et d'humidité dans différents tapis végétaux, en utilisant soit des traceurs radioactifs, soit des mesures directes des paramètres thermodynamiques et dynamiques.

Les échanges entre un lac et l'atmosphère ont été étudiés dans le but de prévoir l'évaporation et le refroidissement de bassins de réfrigération de centrales électriques et dans le but plus général de préciser le couplage eau-atmosphère et les échanges à leur interface. Les études ont été menées et continuent à être menées par le L.D.M.A. (BOUTIN, 1974), en collaboration avec l'E.D.F. La méthode des fluctuations est substituée à la méthode des profils, trop imprécise dans beaucoup de cas pour déterminer les flux. D'autre part, on a mis au point un dispositif de mesures saisonnières pour obtenir le bilan de masse et d'énergie à une grande échelle de temps.

## ETUDE DE LA COUCHE LIMITE PLANETAIRE

Plusieurs approches ont été retenues pour résoudre les problèmes que posent les échanges dans la couche limite planétaire et la genèse de nuages à sa partie supérieure. L'approche théorique, à travers une modélisation numérique des phénomènes est décrite dans un rapport séparé. Nous traitons ici l'approche expérimentale et physique.

Le Laboratoire de Physique des Aéorosols et Echanges Atmosphériques de Toulouse a choisi d'utiliser des mesures avec des traceurs radioactifs (radon (BIROH, 1971), thorium B (GUDELALIA, 1974, 1975)—pour évaluer des coefficients d'échange moyens en fonction des conditions météorologiques et évaluer les transferts de matière (vapeur d'eau en particulier) entre la couche limite planétaire et l'atmosphère libre. Ces coefficients varient de $200 m^2 s^{-1}$ à $10^{-1} m^2 s^{-1}$. Leur valeur paraît liée au nombre de Richardson dans le cas d'une couche stable.

Le même laboratoire (DRUILHET, GUDELALIA, FONTAN, 1973, 1974, 1975), en collaboration avec J. SAISSAC, effectue une étude statistique des échanges à différents niveaux de la couche limite planétaire soit à partir de radiosondages bi-journaliers de la Météorologie, soit à partir de mesures systématiques effectués avec l'avion Aérocommander décrit plus haut.

L'approche retenue par ISAKA, ROSSET, MASCART, GUILLEMET au L.D.M.A. (1973, 1974) pour étudier des problèmes d'échanges et de structure de la basse atmosphère est différente. Elle consiste en une étude précise de différents cas de convection claire ou peu nuageuse pour en préciser les mécanismes et évaluer les effets. Ces cas ont fait l'objet de mesures avec les avions et les matériels terrestres décrits plus haut. Les principaux résultats concernent la mise en évidence d'un front convectif à la discontinuité entre couche convective inférieure et couche stable supérieure, la découverte d'une montée en saut de ce front convectif au gré de l'érosion successive des feuillets thermodynamiques de la couche stable par des ondes de gravité, l'interprétation physique des phénomènes par une croissance de l'amplitude de ces ondes jusqu'à leur déferlement et leur résolution en turbulence de petite échelle, la modélisation numérique du phénomène, l'évaluation des flux de chaleur et de vapeur d'eau au niveau du front convectif, l'observation d'une intermittence de ces flux et d'un flux négatif au niveau du front convectif au moment de son saut, enfin la modification des flux lorsque des nuages apparaissent. RAMOND et LANQUETTE (1972, 1973) ont de leur côté observé le rôle des phénomènes d'onde (ondes de gravité, ondes de Kelvin-Helmoltz) dans la génération et l'organisation des cumulus soit parallèlement au vent,
soit perpendiculairement au vent, le rôle pilote de nuages leaders dans les organisations parallèles au vent, le déplacement des nuages dans la masse d'air qui les porte, variable suivant que les nuages sont en phase de croissance ou en phase de décroissance,...

Des études semblables ont été effectuées par une équipe de l'E.E.R.M. (LEBERRE, GOUTORBE), et plus récemment, par une équipe de l'I.O.P.G. (DUBOSCLARD, 1971) et du C.N.E.T. (SPIZZICHINO, AUBRY, 1974). Cette dernière équipe a concentré ses efforts sur la physique de la mesure au moyen de sodars doppler. L'étude de l'atténuation du son en milieu turbulent, nécessaire pour interpréter l'amplitude des échos sodar, a été entreprise expérimentalement ; on a conclu à l'absence d'atténuation notable due à la turbulence, dans les conditions moyennes. L'étude de la réfraction du son a permis de fixer certaines limitations à l'usage du sodar et d'évaluer les erreurs de mesure correspondantes. L'élargissement spectral des échos résulte de la superposition complexe de plusieurs effets ; sa compréhension est nécessaire pour interpréter les résultats ; sa mesure fournit des informations sur la turbulence dans la couche limite. Ces résultats vont être progressivement appliqués à la physique de la couche limite planétaire. Les campagnes effectuées permettent déjà d'étudier les spectres de turbulence dans la couche limite et de montrer que leur pente généralement différente de -5/3 dépend de la stabilité du milieu (WEILL, 1975). Enfin, une étude systématique des thermiques et des couches d'inversion au moyen des sodars est en cours (AUBRY, CHEZLEMAS, SPIZZICHINO, 1974).

Dans un domaine voisin, un pylône instrumenté a été installé par SAISSAC dans une région d'horizontalité et de rugosité homogènes sur une étendue suffisante vers l'amont des vents dominants pour étudier la couche de frottement en bordure de la Méditerrannée, et les phénomènes de brise. Les mesures terrestres sont complétées par des mesures aériennes pour l'étude des basses fréquences.

## ETUDE DE LA CONVECTION NUAGEUSE PROFONDE

Un effort important a été fait pour développer cette étude plus difficile que la précédente par suite de la rareté de conditions expérimentales propres et d'une multiplicité des facteurs la gouvernant d'autant plus grande que l'on s'intéresse à des nuages plus développés.

Un modèle numérique unidimensionnel de nuages convectifs prenant en compte la formation et la croissance des gouttes de nuage (LANGUIN, 1973) a été affiné par PICCA et ses collaborateurs. Ceux-ci ont testé le rôle du régime de congélation sur l'intensité des précipitations liquides ou solides tombant au sol dans le cas d'une évolution naturelle du nuage, et dans le cas d'un nuage ensemencé en noyaux glaçogènes artificiels.

Un modèle d'organisation de la convection modérée a été proposé par WEILLER (1972). Il a été testé en utilisant les données photographiques du satellite SKYLAB. De l'ensemble des études faites, on dégage l'idée d'une convection à deux étages, séparés par une sorte de frontière horizontale qui représente la plaque chauffante. Entre cette plaque chauffante et la couche d'inversion, à température uniformisée, s'établissent des phénomènes convectifs à géométrie régulière à l'image de ceux mis en évidence par BENARD.

SAUVAGEOT (1974) a mis en évidence, à partir d'observations au moyen d'un radar millimétrique, le rôle de tourbillons à axes horizontaux dans la genèse de précipitations de nombreux types de nuages. Une simulation numérique du phénomène de croissance des gouttes par coalescence dans les tourbillons ci-dessus a été faite ; elle conduit à des réflectivités en accord avec celles observées.

Les précipitations des nuages convectifs ont fait l'objet de recherches au moyen de mesures indirectes avec un radar 10 cm (GODARD) et au moyen de mesures directes avec un spectropluviomètre (DONADIEU, 1974). Ces mesures visent à préciser la relation réflectivité-intensité de la pluie en fonction du type de cette dernière.
Le dernier travail est effectué, au moins partiellement, en collaboration avec RAMOND et GAYET dans le cadre d'expériences d'engagement des nuages convectifs au moyen des outils décrits plus haut (DC7, CESSNA, radar 10 cm, radar 8 mm, photogrammétrie, radiosondage, ...). Une campagne de mesure a été effectuée en 1973. Elle a permis à RAMOND (1974, 1975) de mettre en évidence un résultat original concernant un cas de vent horizontal nul au centre d'un cumulus se déplaçant lui-même avec une vitesse d'ensemble de l'ordre d'une dizaine de mètres par seconde. La zone de vent horizontal nul coïncide avec la zone de vent vertical maximal, donc avec la zone d'ascendance. Elle est accompagnée d'une zone de descendance où le vent horizontal retrouve une vitesse comparable à celle qu'il a à l'extérieur. Ce résultat jette une lumière nouvelle sur la physique de l'érection des nuages cumuliformes en présence d'un fort gradient vertical de la vitesse horizontale du vent.

Des campagnes plus anciennes (1970, 1971) ont permis à ITIER (1972) de mettre au point une nouvelle méthode de détermination du coefficient d'entraînement dans les nuages convectifs en utilisant simultanément photogrammétrie de ces nuages et sondages aérologiques.

A l'I.O.P.G., J. DESSENS (1972, 1974) a étudié l'effet des vents de surface sur le déplacement des orages à grêle et l'influence de la rugosité du sol sur les tornades. La rugosité diminue les vitesses circulaires et provoque de ce fait une augmentation de la convergence radiale et du courant axial vertical. Au même laboratoire, BENECH (1973, 1974) a étudié les phénomènes convectifs et les phénomènes de diffusion au-dessus d'une source de chaleur artificielle d'une puissance de 600 MW et d'une dimension de 4 000 m².

Enfin, dans le domaine de l'électricité atmosphérique, CHAUZY a expérimenté une méthode de mesure de la composante horizontale du champ électrique à l'intérieur des nuages convectifs basée sur l'emploi d'un field mill cylindrique porté par un autogyrator et laché au-dessus du nuage.

## CONCLUSION

Au cours des quatre dernières années, la discipline s'est dotée de moyens lui permettant d'encager d'une manière satisfaisante les phénomènes convectifs et turbulents dans les basses couches de l'atmosphère. Les techniques d'emploi de ces moyens et de traitement de leurs données ont été maîtrisées. Des idées nouvelles concernant l'évolution des basses couches et les champs de vent autour des nuages et dans les nuages sont nées des premières campagnes ; un des buts de la période qui commence va être la vérification de ces idées.

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GUEDALIA D., DRUILHET A., FONTAN J. (1974). — "Détermination des échanges verticaux moyens dans la couche limite planétaire à partir des données statistiques obtenues par les radiosondages de température" — Boundary Layer Meteorol., 7, 457-473.

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II — DETERMINATION DE LA COUVERTURE NUAGEUSE
ET DE LA TEMPERATURE SUPERFICIELLE A PETITE ECHELLE
A PARTIR DES MESURES DE SATELLITES NOAA

C. PASTRE

Météorologie Nationale
Etablissement d'Etudes et de Recherches Météorologiques
73-77 rue de Sèvres. — 92100-Boulogne

La Météorologie Nationale a mis en place les moyens d'acquisition, numérisation et traitement de la télémesure VHRR des satellites NOAA. Ce radiomètre bicanal à balayage (visible + infra-rouge 10,5-12,5) a une résolution de 1/2 mille nautique. Ceci permet d'une part d'effectuer une analyse à petite échelle, même en réunissant plusieurs points pour diminuer l'effet du bruit. D'autre part cela diminue les difficultés dues à la contamination partielle de spots de mesure par les nuages.

L'utilisation simultanée des deux canaux permet d'effectuer la discrimination surface-
nuages automatiquement, sauf dans le cas d'une couverture de neige ou glace.

Le signal est numérisé directement à l'acquisition. L'image numérisée est découpée de manière à regrouper les points contenus dans des carrés de 64 points de 64 lignes consécutives. Pour chacun des carrés on construit un histogramme bidimensionnel sur les 4096 couples de mesures (visible, infra-rouge). Cette technique sépare automatiquement les points de mesure appartenant à des surfaces de température ou d'albedo différent. L'analyse de cet histogramme permet d'y trouver les maxima correspondant aux différentes cibles présentes. La position du maximum donne la valeur de la luminance énergétique qui peut être convertie en température du corps noir équivalent au moyen des données d'étalonnage contenues dans le signal. L'altitude du maximum, ou le volume du pic permet de retrouver le pourcentage ouvert par chaque surface différente présente dans le carré.

Pour la température de la mer, il faut ensuite appliquer une correction pour tenir compte de la contribution atmosphérique due surtout à la présence de vapeur d'eau et de gaz carbonique. On utilise pour l'instant une correction dépendant uniquement de la mesure elle-même et de l'angle d'incidence de la visée. La comparaison avec les mesures classiques de bateau donne un écart-type de 1°.

On expérimente actuellement un autre schéma de correction introduisant une dépendance saisonnière et en latitude. Enfin, dans l'avenir, il est prévu d'utiliser pour cette correction atmosphérique la mesure effectuée par le VTPR (Vertical Temperature Profile Radiometer) dans la bande de la vapeur d'eau (vers 19 µ). Une étude théorique a montré que ceci devrait amener la précision de mesure vers 0.5° C.

En ce qui concerne les nuages, le passage de la température radiométrique à l'altitude nécessite une estimation de l'émissivité du nuage. Ces données sont pour l'instant considérés comme expérimentales.
III — PHYSICO-CHIMIE DE LA BASSE ATMOSPHERE

J. FONTAN

Université Paul-Sabatier, 48 route de Narbonne, 31077 — Toulouse

et G. LAMBERT

Centre des Faibles Radio-Activités, CNRS, 91190 — Gif-sur-Yvette — B.P.2.

La physico-chimie de l'atmosphère comprend 5 parties bien distinctes, quant à leurs
objectifs :

1 – L'ensemble des processus physiques et photochimiques d'absorption et réémission
du rayonnement solaire.

2 – L'étude de la phase atmosphérique du cycle géochimique des éléments depuis et jusqu'aux surfaces des continents, océans, calottes glaciaires, et éventuellement l'espace interplanétaire.

3 – L'utilisation des éléments présents dans l'atmosphère à l'état de traces, comme traceurs dans les études de circulation et échanges atmosphériques qui constituent la météorologie dynamique.

4 – Les études scientifiques de base du comportement des polluants atmosphériques.

5 – L'application des 4 types d'études précédentes à un essai de compréhension de l'évolution des climats dans le passé et des risques d'évolution sous l'influence des activités humaines.

La plupart de ces points sont abordés par les études réalisées en France.

*Point 1* – L'essentiel des travaux dans ce domaine est effectué par les laboratoires travaillant dans les hautes couches de l'atmosphère, ainsi que par les différentes équipes étudiant l'ozone les oxydes d'azote, et participant au programme COVOS.

Cependant, les études portant dans la basse atmosphère sur les aérosols de toutes
origines et sur le cycle des composés du soufre sont directement liées à ce problème par
suite des échanges très importants entre troposphère et basse stratosphère.

*Point 2* – Des études systématiques des différentes sources d'aérosols ont été effectuées dont l'objectif est de donner un bilan général de la circulation de matière via l'atmosphère, des continents aux océans et réciproquement. Ces études ont notamment fait apparaître de très importants fractionnements à l'interface mer-atmosphère, avec enrichissement en cations lourds. Un bilan des éléments accumulés dans les calottes polaires est également en cours.

Une attention particulière a été portée aux composés du soufre. Outre les sources
anthropogéniques et continentales habituelles, l'existence d'une source marine de SO₂ est
démontrée par la brève existence de ce gaz et le fait qu'on en mesure loin des sources
continentales.

Des études de laboratoire menées indépendamment ont confirmé la brièveté des réactions gaz-aérosols et étudiant le grossissement et la mobilité des ions formés.
Enfin l'existence d'une source terrestre de poussières dites "cosmiques" a été démontrée par un bilan antarctique de cosmonuclides tels que le Mn 53.

**Point 3** – Les éléments radioactifs ont été utilisés pour étudier les échanges et le transport de matière à différentes échelles. Dans la couche très près du sol (0-10 m) ou dans un couvert végétal l'isotope 220 du radon a permis de mesurer les coefficients de diffusion verticale en matière et leurs variations suivant l'altitude et le temps. Le Radon 222 a été utilisé pour effectuer une climatologie des échanges verticaux entre 0-100 m sur le site de Roissy en France (aéroport Charles de Gaulle). Cette étude montre que le radon pourrait servir pour monitorer la stabilité verticale dans les sites pollués.

Dans la couche limite planétaire, le traceur radioactif le plus approprié est le Thorium B, en raison de sa période. Il a permis d'évaluer l'ordre de grandeur des coefficients d'échange dans la couche convective et de mesurer les transferts, en particulier de vapeur d'eau, entre l'atmosphère libre et la couche limite planétaire.

A plus grande échelle, des éléments radioactifs à vie longue Sr-90, Be-7, P-32, Pb-210 et Po-210 ont permis de préciser les valeurs des temps de résidence des aérosols, en fonction de leur hauteur d'injection dans la troposphère.

Des mesures systématiques de radon effectuées pendant plusieurs années aux Iles Kerguelen et dans l'Antarctique ont mis en évidence des variations saisonnières en opposition de phase dans les deux stations. Des "orages radoniques" correspondant à des lentilles d'air de 2 km d'épaisseur environ qui se déplacent avec des échanges limités sur de grandes distances, sont observés dans les régions antarctiques. Enfin, dans ces stations, on remarque des variations de concentration de radon qui semblent liées à l'activité solaire.

**Point 4** – Des études scientifiques de base pour la compréhension du comportement des polluants atmosphériques sont développées suivant plusieurs directions.

Des études in situ ont été effectuées pour dans un premier temps faire les parts des productions naturelles et artificielles des noyaux d'Aitken à l'échelle mésométéorologique. Des mesures des concentrations de l'air en SO₄ et SO₂ ont été faites dans des régions très éloignées de l'activité humaine. On observe des concentrations qui peuvent atteindre les valeurs de 1 µ/m³ et 0,1 µg/m³ pour les sulfates et le SO₂ respectivement.

Les traceurs radioactifs radon et ThB ont été utilisés pour étudier l'évolution des noyaux d'Aitken et du SO₂. Pour ce dernier, la transformation a été étudiée dans le cas d'une masse d'air continentale qui se déplace au-dessus d'un océan à quelques centaines de kilomètres de la côte.

Une étude a été entreprise pour suivre le transfert du plomb atmosphérique dans les eaux de précipitations et dans les eaux de surface. Le transfert par dépôt sec de l'air sur la végétation et le sol a été aussi étudié.

Le dosage de l'iodure d'argent dans les précipitations d'orage est effectué pour mesurer la quantité de noyaux glaçogènes, émis près du sol qui sont captés par les nuages.

Des études en laboratoires sont effectuées pour comprendre les réactions d'oxydation dans l'atmosphère des hydrocarbures, en phase homogène (oxydation photochimique) et hétérogène (oxydation catalytique par les particules solides). Ces études portent plus particulièrement sur les interactions entre les hydrocarbures et les oxydants, et d'autre part sur l'effet des particules solides en suspension pour l'oxydation des hydrocarbures.

D'autre part, des modèles numériques de diffusion des polluants atmosphériques ont été mis au point qui prennent en compte notamment la rugosité régionale et l'influence du couvert végétal.
*Point 5 — L'évolution des climats a été abordée principalement par des études portant sur des carottes de glace prélevées dans l'Antarctique ainsi que par l'étude des paléotempéra-tures dans les sédiments marins.*

De plus, une équipe franco-ivoirienne étudie la génération des aérosols dans les régions tropicales et intertropicales. En particulier un réseau de stations de collection des aérosols a été installé en Afrique de l'Ouest. L'étude des visibilités, depuis plusieurs années, permet de suivre l'évolution dans le temps de la mise en suspension des particules de sable dans l'atmosphère. Ceci pourra être relié avec la sécheresse du Sahel.
# IV - METEOROLOGIE DE LA NEIGE
## Un modèle mathématique unidimensionnel de manteau neigeux pour la prévision des Avalanches

F. DELSOL

Météorologie nationale
Centre d'Etudes de la Neige
Grenoble

Le Centre d'Etudes de la Neige de Saint Martin d'Hères (EERM – Météorologie Nationale) s'est vu confier la mission d'assurer en France sur le plan national la prévision du risque d'avalanche. Un des éléments importants nécessaires à cette prévision est une excellente représentation de la réponse de la neige aux conditions météorologiques.

Dans ce but il a été mis au point un modèle mathématique unidimensionnel de manteau neigeux définissant les évolutions internes du manteau (métamorphoses construc-tives ou destructives) à partir des données météorologiques mesurées ou prévues.

Ce modèle a été ajusté d'une part à partir de mesures fines et continues tant dans la neige que dans l'atmosphère aux deux laboratoires du CEN (Col de Porte 1350 m – et Croix de Chamrousse 2250) et d'autre part à partir de simulation physique de transforma-tion de la Neige en chambre froide.

Cette simulation mathématique nécessite la connaissance des données météorologiques suivantes :

- Température de l'air sous abri

- Humidité et Pression

- Vent à 10 mètres

- Précipitation en valeur en eau

- Rayonnement solaire (direct et réfléchi)

- Nébulosité

et de la température du sol sous la couche.

Les paramètres calculés sont alors les suivants :

- Pour le bilan énergétique de surface

- Flux de chaleur sensible

- Evapo-condensation de surface

- Rayonnement infra-rouge émis et reçu.

- Pour les caractéristiques de la couche

- Température de surface

- Hauteur de neige au sol

- Profils de température, de densité et de teneur en eau

- Les évolutions internes sont calculées à partir

• des flux de chaleur

• des flux d'eau liquide et de vapeur

• des transferts de masse par changement de phase

• des facteurs caractérisant la modification du type des grains.
Pour pouvoir répondre à deux exigences contradictoires : rapidité d'exécution et analyse fine surtout dans les couches supérieures, nous avons choisi le principe du modèle à maille variable avec des pas dans l'espace allant de 1 à 20 cm. Les pas dans le temps ont été pris en rapport avec la discrétisation verticale pour respecter les conditions de stabilité numérique (60 sec à 600 sec).

Le schéma numérique utilisé est du type Crank-Nicolson, pour résoudre à chaque niveau l'équation du bilan énergétique, couplé à un système itératif.

Ce modèle permet de représenter les phénomènes de tassement, les modifications de grains et évolutions stratographiques de la neige ainsi que les périodes de fonte partielle ou totale.

Il apparaît de ce fait comme un complément indispensable au réseau nivométéorologique utilisé par le CEN pour la prévision du risque d'avalanche.
# V - RECHERCHES ASSOCIEES A LA TELEDETECTION DES PRECIPITATIONS PAR RADAR

G. FROMENT

Etablissement d'Etudes et
Recherches Météorologiques
73-77 Rue de Sèvres
92100 Boulogne

S. GODARD

Institut de Physique du Globe
12 Avenue des Landais
63001 Clermont-Ferrand

P. WALDTEUFEL

Centre National d'Etudes
des Télécommunications
38-40 Rue du Général Leclerc
92130 Issy-les-Moulineaux

Les études associées à l'observation radar des précipitations et, d'une façon plus générale, à celle des phénomènes atmosphériques détectables par radar, ont connu au cours des dernières années des développements significatifs dans de nouvelles orientations.

Parmi les faits les plus marquants de cette période, on doit souligner d'abord un regain d'intérêt pour la "Météorologie radar", intérêt qui s'est manifesté dans le sens de la recherche fondamentale comme dans celui de la recherche appliquée.

Ce renouveau d'intérêt s'est concrétisé par l'adhésion à la discipline d'une équipe nouvelle — équipe du Centre National d'Etudes des Télécommunications (CNET) — par la stimulation suscitée par certains organismes (en particulier, Service Central Hydrologique) et, à la Météorologie Nationale, par la reprise d'une activité de recherche dans ce domaine.

Il s'est également manifesté à travers l'organisation, par la France (CNET), dans le cadre du Comité Inter-Union de Radio-Météorologie (IUCRM), d'un colloque (Nice, 1973) sur la "Structure fine des précipitations et la propagation des ondes électromagnétiques", qui a rapproché les chercheurs s'intéressant aux problèmes relatifs à l'atmosphère et aux télécommunications.

En second lieu, on peut noter une évolution de la technologie et des méthodes, évolution plus particulièrement marquée au niveau du traitement de l'information radar, où l'emploi des moyens informatiques se substitue progressivement aux techniques traditionnelles.

## RECHERCHES ENTREPRISES

### 1. - Radar millimétrique

Un équipement radar fonctionnant à 0,86 cm est opérationnel à l'Institut de Physique du Globe du Puy de Dôme (Centre de Recherches Henri Dessens à Lannemezan), depuis près de dix ans. Cet appareil a été d'ailleurs précédé d'un premier prototype dès 1962. Il est doté d'un dispositif à 100 canaux d'intégration analogique des signaux video et d'un système d'enregistrement par fac-similé de ces signaux.

Les propriétés spécifiques des radiations millimétriques font que l'équipement est particulièrement apte à la télédétection des hydrométéores à faible granulométrie (nuages),
alors que l'affaiblissement important de propagation à travers les hydrométéoires à forte granulométrie (précipitations), ne permet pas la télédétection lointaine de certains phénomènes et fausse bien souvent les mesures de réflectivité qui peuvent être tentées.

Les programmes de recherche réalisés ces dernières années font cependant appel à ces deux caractéristiques des ondes millimétriques. Ce sont :

### Structure fine des nuages et des précipitations

H. SAUVAGEOT a étudié, en utilisant le radar en faisceau fixe vertical, les variations spatio-temporelles des échos observés alors que les phénomènes atmosphériques (nuages, précipitations...) se déplacent au-dessus de la station. Il a ainsi pu mettre en évidence l'importance de rouleaux à axes horizontaux, matérialisés par une sorte d'ondulation au sommet des couches nuageuses où se dérouleraient des phénomènes de coalescence capables d'initier les précipitations. Une simulation numérique du phénomène de croissance des gouttes, dans ces conditions, a été faite et conduit à des réflectivités en accord avec celles observées.

### Echos en ciel clair

R. CAMPISTRON travaillant dans les mêmes conditions que H. SAUVAGEOT, mais en atmosphère claire, a pu étudier les "échos fantômes" apparaissant vers 1000 ou 1500 mètres au-dessus du sol, particulièrement en été. La cause de ces échos semble bien être la présence d'insectes ou de débris végétaux ou animaux (qui ont une forte section diffusante à 0,86 cm), et non la présence de forts gradients d'indice de l'air (qui existent peut-être mais ne peuvent expliquer de telles réflectivités à 0,86 cm).

Le phénomène observé semble assez bien matérialiser la couche limite convective. En outre, CAMPISTRON a montré comment ces échos pouvaient permettre la détection indirecte de petits cumulus (empreintes laissées dans la couche des échos fantômes).

### Mesure des précipitations

S. GODARD a montré dès 1966 les possibilités, théoriques tout au moins, de mesure des précipitations par affaiblissement de la radiation 0,86 cm.

Les expériences réalisées dans ce sens n'ont guère été convaincantes. Néanmoins l'intérêt de cette question n'est pas négligeable, l'affaiblissement étant proportionnel à l'intensité de pluie et indépendant de la granulométrie.

Aussi, un programme de recherche portant sur la structure spectrale des précipitations a été entrepris (G. DONADIEU, S. GODARD). Il en sera reparlé à propos du programme radar 10 cm.

### Description radar de la couverture nuageuse

Du point de vue des applications météorologiques du radar millimétrique, citons pour mémoire une étude de faisabilité de FROMENT (1973) analysant les possibilités de description automatisée de la couverture nuageuse. Ce projet n'a pas été réalisé à ce jour.

Parallèlement aux recherches poursuivies dans le domaine du radar millimétrique les efforts récents se sont tournés dans deux nouvelles directions (rubriques 2 et 3). Dans les deux cas, il s'agit d'entreprises d'assez longue haleine dont le fruit ne sera récolté que dans l'avenir.

## 2 – Etude de la convection profonde : radars Doppler

La convection profonde vient au premier rang des préoccupations des météorologistes français, tant par son importance locale que par ses conséquences sur la circulation générale et la prédicabilité du temps. La technique des radars Doppler, après une mise au point
d'une dizaine d'années, parvient à une relative maturité tant pour l'instrumentation que pour la méthodologie, et démontre son aptitude à remplir une mission centrale (description du champ de vitesses) dans un dispositif d'étude de la convection profonde.

C'est pourquoi la communauté scientifique nationale a décidé la construction d'un système comprenant deux radars Doppler. Cette opération, soutenue par le Comité des Recherches Atmosphériques de la DGRST, a été confiée au CNET. Les radars seront entièrement mobiles et organisés autour d'un miniordinateur dévolu à la gestion et l'acquisition des données, cependant que des périphériques spécialisés assurent l'essentiel du prétraitement en temps réel.

Jusqu'en 1974, seuls quelques travaux relatifs à la théorie de la mesure ont été publiés. Les radars Doppler entreront en opération en 1975 ; des campagnes régulières, en Métropole puis à l'étranger (zônes tropicales), seront dès lors organisées.

### 3 – Applications hydrologiques du radar : le radar et la mesure des précipitations

Il s'agit d'une orientation de recherche appliquée déjà abordée en France dans le passé (travaux de la Société d'Etude des Précipitations (SODETEP) en liaison avec des services hydrologiques) et reprise actuellement sous un angle nouveau du point de vue des perspectives opérationnelles envisagées et des moyens mis en oeuvre, en particulier à la Météorologie Nationale.

Dans le cadre de ces études, on peut mentionner l'activité de différents organismes :

#### Institut de Physique du Globe (Clermont-Ferrand)

Depuis trois ans, un équipement 10 cm a été développé à l'Institut de Physique du Globe (Laboratoire des Landais à Clermont-Ferrand).

Cet équipement mobile est doté d'un aérien de 4 mètres de diamètre. Le récepteur de type classique est suivi d'un analyseur à 100 canaux permettant l'intégration numérique du signal video ; une chaîne de saisies de données reprend le signal intégré et le digitalise avant de constituer des blocs logiques eux-mêmes stockés sur bandes magnétiques Ces bandes peuvent ensuite être directement traitées sur ordinateur.

Ce radar avait été prévu à l'origine pour la simple étude de trajectoire d'orages. Devant les possibilités offertes par les perfectionnements qu'il a reçus, les chercheurs ont été amenés, en vue de l'interprétation des échos mesurés, à développer l'étude des relations Z/R (réflectivité-intensité de pluie).

S. GODARD et G. DONNADIEU ont étudié un spectropluviomètre optoélectronique dès 1969, appareil qui a été progressivement amélioré et dont une dernière version a été réalisée en collaboration avec des chercheurs du CNET (WALDTEUFEL, NUTTEN).

G. DONADIEU a montré à partir de considérations théoriques et de mesures réalisées l'importance des paramètres A et b de la relation généralement admise $Z = A R^b$ et leur dépendance vis à vis des paramètres caractérisant une précipitation.

#### Service Hydrologique Centralisateur de Périgueux

Les études de cet organisme sont motivées par des impératifs concernant la prévision des crues. Utilisant deux radars (bande X et bande C), PARSY et DUPOUYET ont étudié la possibilité d'estimation locale de la hauteur d'eau produite par une perturbation et ont tenté de prévoir l'évolution spatiale et quantitative de la pluie.

#### Météorologie Nationale

En fait, une certaine unité tend à se faire dans ce domaine par la coopération des organismes intéressés avec la Météorologie Nationale, qui met en place actuellement un réseau de radards modernes et dispose d'autre part de réseaux de mesures au sol. Cette
orientation, en harmonie avec la priorité donnée au thème "Eau atmosphérique" parmi les thèmes de recherches de l'Etablissement d'Etudes et Recherches Météorologiques (EERM), se concrétise par un projet "Hydrologie" centré sur l'étude du potentiel du radar en ce qui concerne la mesure des précipitations, dans la zône de couverture du radar, aux différentes échelles d'espace et de temps présentant de l'intérêt pour les hydrologues.

Dans une seconde étape, le projet prévoit également l'étude – par des méthodes objectives – de la structure des précipitations et de leur déplacement.

Comme dans les projets du CNET et de l'IPG, le traitement des données est assuré au niveau informatique (coopération du CNET pour la saisie et le prétraitement des données).

Une phase d'expérimentation préalable (fin 1973) a conduit à une première interprétation des observations par FROMENT (1975). La mise en oeuvre de l'expérimentation définitive est en cours. Son aboutissement devrait se situer à échéance de quelques deux années et déboucher sur des applications hydrologiques opérationnelles.

CAMPISTRON B. – Etude des nuages avec un radar millimétrique. D.E.A. Univ. Paul-Sabatier, Toulouse, 25 pages. 1971.

CAMPISTRON B. – Intérêt des échos fantômes détectés par le radar 8,6 mm comme traceur pour l'étude des basses couches de l'atmosphère. Colloque sur la Physique de la Basse Atmosphère, Lille Avril 72.

CAMPISTRON B. – Relations entre les échos fantômes observés avec un radar 8,6 mm et l'état thermodynamique de la basse atmosphère. Thèse 3ᵉ cycle, Université Paul Sabatier, Toulouse, 27 juin 73, n° 1415, 47 pages. 1973.

CAMPISTRON B. & SAUVAGEOT H. – Sur l'évolution matinale de la distribution dans l'espace des échos radar en air clair. C.R. Acad. Sc. Paris, t. 279, série B pp. 479-482, 1973.

DONADIEU G. – Vérification expérimentale de la vitesse atteinte par des gouttes de 3 mm de diamètre en fonction de leur hauteur de chute à l'aide d'un spectropluviomètre photoélectrique. J.R.A. vol. III n° 4. 1973.

DONADIEU G. – Etude des caractéristiques physiques et radioélectriques de la pluie à l'aide d'un spectropluviomètre photoélectrique. Proceedings IUCRM Colloquium, Nice, 1973. J.R.A. vol. VIII, n° 1-2 pp. 147-160. 1974.

DUBOSCLARD G. – Observation radar de quelques cellules orageuses dans la région du Languedoc. Rapport GIEFA n° 12, Déc. 71, 21 pages. 1971.

FROMENT G. – Etude sur l'observation radar de la couverture nuageuse. Rapport interne de l'EERM. 1973.

FROMENT G. – Expérience Melodi/Hydrologie 1973. Interprétation des données : Premiers résultats. Rapport provisoire interne de l'EERM. 1975.

PARSY & DUPOUYET. – Le radar et le pluie. Rapport interne du Service Hydrologie Centralisateur, Périgueux. 1975.

SAUVAGEOT H., CAMPISTRON B. & DESPAUX G. – Etude physique des phénomènes météorologiques à l'échelle fine. Rapport DRME n° 70.015, Janvier 72, 40 pages. 1972.

SAUVAGEOT H., CAMPISTRON B. & DESPAUX G. – Etude et réalisation d'une chaîne de traitement de signal pour un radar météorologique millimétrique. Application à l'étude de la convection atmosphérique. Rapport DRME n° 71.024, Novembre 72, 31 pages. 1972.

SAUVAGEOT H. – La définition et la mesure au radar des paramètres caractérisant l'environnement d'une base. Procès-verbaux du colloque international sur les bases de lancement, CNES, KOUROU, Novembre 72, pp. 485-492. 1972.

SAUVAGEOT H. – Le radar à la recherche des nuages. La Recherche, Mai 73, vol. 4, pp. 485-487. 1973.

SAUVAGEOT H. – The influence of vertical wind shear on the fine scale structure of precipitation generating layers. Proceedings IUCRM Colloquium, Nice, Octobre 73.

WALDTEUFEL P. – Tests de cohérence pour les lois empiriques de répartition des gouttes de pluie. Ann. Télécomm., 27, 1972, pp. 499-503. 1972.

WALDTEUFEL P. – Atténuation des ondes hyperfréquence par la pluie : une mise au point. Ann. Télécomm., 28, 1973, pp. 255-272. 1973.

WALDTEUFEL P. – Side lobe returns in a tornadic storm. XVIth radar meteorology conference, pp. 178-181. American Meteorological Society, Boston, 1975.
# VI – Système VIZIR

## R. LASBLEIZ

Centre de Météorologie Spatiale
Lannion

Le VIZIR est un ensemble de visualisation destiné à la synthèse et à l'enregistrement sur support photographique, des informations radiométriques à haute résolution, fournies par les satellites météorologiques, en particulier les géostationnaires de la série SMS-GOES.

### 1 – Fonctionnement des satellites SMS/GOES

Le système d'analyse du satellite produit un balayage ligne par ligne, au moyen d'une ouverture quasi-circulaire, qui transforme le signal spatial bidimensionnel en un signal temporel monodimensionnel.

Le satellite est pourvu de 8 capteurs radiométriques opérant dans le visible et d'un capteur infra-rouge. Il tourne à 100 t/mn, effectuant ainsi un balayage de 8 lignes jointives pour le visible et d'une ligne pour l'infrarouge.

L'information est ensuite échantillonnée en série, étirée et transmise par blocs suivant 4 modes A, B, C, D; chacun de ces modes correspondant à la transmission d'une ligne infra-rouge à standard fixe, suivie d'un nombre variable de lignes visibles, de résolution décroissante de A à C. La partie visible du signal est remplacée par une information IR dégradée dans le mode C.

<table><thead><tr><td>Mode</td><td>Cadence de transmission du segment visible</td><td>Résolution Sol</td><td>infra-rouge</td></tr></thead><tbody><tr><td>A</td><td>1 000 lignes/mn</td><td>900 m</td><td>Cadence</td></tr><tr><td>B</td><td>500 lignes/mn</td><td>1 800 m</td><td>100 lignes/mn</td></tr><tr><td>C</td><td>100 lignes/mn</td><td>7 400 m</td><td>Résolution</td></tr><tr><td>D</td><td>100 lignes/mn (IR)</td><td>7 400 m (IR)</td><td>3 700 x 7 400 m</td></tr></tbody></table>

### 2 – Caractéristiques générales du vizir

Standard maximal : 15000 lignes 15000 points
Vitesse d'enregistrement : 1000 lignes/mn

Précision du balayage : ΔH, ΔV < 5 éléments de résolution
Erreur aléatoire de positionnement : ΔH, ΔV < 1 élément
Erreur de cisaillement entre lignes : ΔH < 0,05 élément
Jitter : ΔH, ΔV < 0,1 élément

### Caractéristiques photométriques

Dynamique : 32 teintes de ΔD = 0,075 sur support film.
**Uniformité de réponse** : variation inférieure à 1/2 teinte à entrée constante, due au système de modulation et au support photographique.

**Stabilité du gamma** : meilleure que 1/2 teinte dans la dynamique et sur une même photographie.

## Format

Des considérations de commodité de manipulation et de lisibilité ont conduit à fixer le format utile du document photographique à 400 x 400 mm.

## 3 – Principe du vizir

L'étude des contraintes décrites ci-dessus, et en particulier, l'examen des caractéristiques de rapidité et de précision ont entraîné les choix suivants :

- La source de lumière est un laser, dont la faible divergence de faisceau autorise une concentration élevée d'énergie et par conséquent un spot de fort éclairement.

- La modulation est obtenue par un modulateur électro-optique.

- Le système de formation du spot se compose d'une optique de focalisation du faisceau sur un diaphragme d'environ 27 µm et d'une optique de collimation, permettant un allongement du trajet optique.

- Le faisceau rendu parallèle à l'axe du tambour tournant, est repris par l'équipage mobile d'une table d'avance pas à pas, qui au moyen d'un miroir et d'une optique collimatrice, projette l'image du diaphragme sur le film récepteur.

- La table d'avance pas à pas composée d'un chariot mobile monté sur glissières et entraîné par vis mère et moteur, assure le décalage du spot pour le balayage trame.

- Le balayage ligne est obtenu par rotation d'un tambour, supportant le film et monté sur palier magnétique.

## Analyse succincte des divers éléments

**Laser** : Il s'agit d'un laser hélium-néon délivrant une puissance maximale de 10 m W, sur une longueur d'onde de 632 nm.

**Modulateur** : Le modulateur utilise l'effet Pockels. La tension vidéo appliquée sur 2 faces d'un quartz entraine une rotation du plan de polarisation de la lumière qui le traverse. Cette rotation est ensuite traduite en variation de transparence par l'intermédiaire d'un polarisateur croisé.

**Distribution d'énergie dans le spot** : Elle est très voisine d'une courbe de Gauss.

**Palier magnétique** : Les contraintes de précision et de stabilité mécaniques ont déterminé le choix d'un rotor, monté sur palier magnétique, dont les caractéristiques dimensionnelles sont les suivantes :

- diamètre extérieur : 160 mm

- longueur : 420 mm

- la masse de la partie tournante est d'environ 14 Kg.

**Fonctionnement** : Le rotor est maintenu en état de lévitation par 5 asservissements électromagnétiques.

- Un électro-aimant plan assure l'asservissement axial, tandis que 2 paliers cylindriques permettent l'asservissement des mouvements radiaux.

- Un moteur asynchrone à cage effectue la mise en rotation de l'équipage mobile.
Les caractéristiques dynamiques sont cohérentes avec les spécifications définies ci-dessus en 2.

*Film photographique:* Des considérations de dynamique de noircissement et surtout de réponse spectrale et de résolution, conduisent à faire usage des films Kodak 3410 et SO392 à développement conventionnel, ou DRY SILVER 7869 thermocoagulable.

La fréquence spatiale limite est, dans ces conditions, de 35 à 40 cycles/mm ; valeur convenable si on la compare à la fréquence de coupure du système d'analyse, qui ramenée au film, a pour valeur Fc : 18 cycles/mm.

*Gestion des modes:* La restitution des divers modes de fonctionnement A, B, C, D des satellites SMS-GOES, ou des informations de tout autre satellite de caractéristiques compatibles est obtenu de manière dynamique à partir d'un standard de base unique ; c'est-à-dire que :

- Le tambour tourne toujours à la même vitesse : celle qui correspond au mode A.

- L'image finale a toujours le même format.

- Le spot a toujours le même diamètre : celui qui correspond au mode A.

Dans les autres modes de fonctionnement, l'image transmise a une résolution spatiale plus faible : il y a moins de points par ligne et de lignes par image.

Pour conserver le même format, il faudra donc élargir artificiellement le spot en utilisant des cadences de prélèvement de l'information plus faibles et en inscrivant plusieurs fois la même ligne.

La table suivante donne, par mode, les fréquences de prélèvement et le nombre de répétitions nécessaire pour chaque ligne.

<table><thead><tr><th>Mode</th><th>A</th><th>B</th><th>C/D</th><th>I.R.</th></tr></thead><tbody><tr><td>Fréquence de prélèvement</td><td>291,200 Khz</td><td>145,6 Khz</td><td>36,4 Khz</td><td>72,8 Khz</td></tr><tr><td>répétitions</td><td>1</td><td>2</td><td>8</td><td>8</td></tr></tbody></table>

Un mini-calculateur assure la gestion des modes ainsi que l'élaboration des signaux de service, en particulier, il commande la synchronisation de l'écriture ligne et l'avance de la table. Sa fonction est aussi de servir d'interface entre la source du message numérique, véhiculant le signal d'image et l'organe de visualisation proprement dit.

## Conclusion

- Le VIZIR permet la synthèse des images transmises par SMS-GOES dans un standard de qualité compatible avec les hautes performances de l'instrumentation embarquée.

- L'emploi d'un petit calculateur, traitant le signal numérique avant conversion analogique, autorise la visualisation de télémesures de format différent, à la condition que les paramètres dynamiques du signal ne soient pas notablement plus élevés que ceux relatifs au mode A de SMS. C'est ainsi que des images provenant du satellite ERTS/LANDSAT ont été enregistrés avec succès.

- L'interface calculateur rend d'autre part possible l'application de méthodes de correction ou d'accentuation des images, visant à mettre en évidence des détails de textures ou des structures, difficilement accessibles par observation directe.
# VII - SIMULATION NUMERIQUE DES CIRCULATIONS ATMOSPHERIQUES ET MODELES DE PREVISION

D. ROUSSEAU

Metéorologie Nationale

Etablissement d'Etudes et de Recherches météorologiques

Groupement de météorologie Dynamique

73-77 rue de Sèvres - 92100 - Boulogne

## Introduction

L'activité de la recherche française s'est poursuivie dans certains domaines dont l'étude avait déjà été amorcée dans la période précédente : problème de l'analyse quadridimensionnelle (Laboratoire de Météorologie Dynamique), problèmes numériques liés à l'intégration des équations d'évolution de l'atmosphère sur la sphère (Laboratoire de Météorologie Dynamique et Météorologie Nationale).

Parallèlement les problèmes liés à l'intégration des modèles de prévision numérique sur domaine limité ont été abordés et ont abouti sur le plan pratique à l'utilisation opérationnelle de "modèles à mailles fines" et à la conception d'un système de prévision basé sur des "modèles emboités" (Météorologie Nationale).

## Analyse et initialisation

Dans ce domaine les travaux ont porté sur l'analyse des données traditionnelles asynoptiques et sur l'utilisation des données asynoptiques (assimilation quadridimensionnelle).

Pour l'analyse des données météorologiques traditionnelles, l'application d'une méthode d'analyse de variables régionalisées connue sous le nom de "Krigeage universel" et déjà utilisée en prospection minière a été mise en oeuvre (Delfiner 1973).

C'est une méthode optimale en un certain sens, qui a le mérite, en outre, de fournir des estimations de l'erreur d'analyse. Elle peut être utile pour étudier les répartitions des stations d'observation et sa possibilité d'utilisation opérationnelle est actuellement étudiée.

Les données asynoptiques fournies par les satellites posent encore de nombreux problèmes théoriques et pratiques. Les études menées au Laboratoire de Météorologie Dynamique, appuyées par des simulations numériques, montrent qu'il y a lieu de considérer trois facteurs pour l'assimilation des données : la prédictabilité du modèle, les propriétés d'amortissement des ondes de gravité du schéma numérique et la fréquence d'introduction des données : un optimum existe pour cette dernière qui est fonction des deux premiers paramètres (Talagrand 1972, Talagrand et Morel 1974).

Un terme de viscosité de la forme $v \text{grad}(\nabla \cdot \mathbf{V})$ a été proposé pour l'amortissement des ondes de gravité (Sadourny 1972) qui a l'avantage de n'agir que sur la partie divergente du vent et est bien adapté aux modèles effectuant l'assimilation des données asynoptiques.

## Modèles globaux

L'obtention de schémas numériques applicables à l'élaboration de modèles globaux de circulation générale ou de prévision s'est faite selon deux approches. L'une s'appuie sur une discrétisation régulière des faces d'un polyèdre inscrit dans la sphère (icosaëdre par exemple) projetées sur la sphère. La répartition des points de grille sur la sphère est alors
presqu'uniforme. Des schémas conservatifs (masse, énergie et enstrophie) ont été mis au point dans cette représentation ; l'importance pour le schéma numérique de la conservation de l'enstrophie a été mise en évidence, en relation avec les propriétés spectrales des fluides turbulents. Une autre approche consiste en l'utilisation de décompositions en fonctions sphériques des champs météorologiques (Rochas 1973). Ont été traités particulièrement les problèmes liés à l'obtention de conditions initiales et de l'utilisation des nouvelles techniques d'intégration des modèles spectraux.

Un modèle spectral de simulation basé que les équations primitives à cinq niveaux a été élaboré et est en cours de test.

## Modèles à maille fine

Pour satisfaire les besoins de la prévision numérique à courte échéance (jusqu'à 36 heures), ont été développés des modèles travaillant sur des domaines limités, à maille de calcul deux fois plus fine que celle utilisée précédemment et comportant au moins cinq niveaux. C'est ainsi que la météorologie Nationale a mis au point et utilise maintenant opérationnellement des modèles de prévision à maille fine filtrés (Lepas, Trochu 1971) et à équations primitives comportant cinq niveaux (Rousseau 1971). Dans ce dernier modèle l'évolution de la vapeur d'eau est prise en compte et le processus d'évolution des perturbations synoptiques est simulé : une prévision quantitative des précipitations est élaborée.

Les questions numériques liées à l'intégration numérique d'un modèle à équations primitives sur domaine limité et à l'obtention d'un schéma d'intégration performant ont d'autre part abouti à l'élaboration d'un modèle de prévision utilisant pour l'advection un schéma explicite et pour l'adaptation un schéma implicite, ce qui permet des pas de calcul 5 fois plus grands que les schémas usuels (Lepas 1973).

## Modèles emboités

Pour permettre d'allonger les échéances des prévisions et d'obtenir des prévisions suffisamment fines sur un domaine limité sans pour autant que les temps de calcul soient incompatibles avec une exploitation météorologique, un système de prévision basé sur des "modèles emboités" a été étudié, qui est à l'heure actuelle partiellement en exploitation à la météorologie Nationale. Le système est basé sur l'utilisation successive de 3 versions A, B et C d'un modèle à équations primitives.

En premier lieu une version du modèle comportant 5 niveaux verticaux et une maille horizontale de 360 Km en moyenne (modèle A) effectue une simulation de 48 heures sur une grande partie de l'hémisphère Nord. Ensuite une version de maille 180 Km en moyenne (modèle B) effectue la prévision synoptique sur un domaine Europe-Atlantique. Les conditions aux limites sont périodiquement renouvelées au cours de l'intégration en utilisant les résultats de prévision à 12, 24, 36 et 48 heures du modèle A. Ce premier élément des "modèles emboités" est en exploitation régulière depuis 1974.

Enfin, pour certaines échéances une adaptation régionale de la prévision peut être effectuée sur la France à l'aide d'une version à 10 niveaux et un maillage de 36 Km (modèle C) en se servant comme conditions initiales des résultats du modèle B. Ce dernier élément a fait l'objet de quelques tests sur des situations perturbées intéressantes qui ont montré les possibilités d'une telle adaptation, en particulier par les vents régionaux et la localisation fine des précipitations.

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# VIII — THEORIE DE LA TURBULENCE ET COUCHE LIMITE

J.C. ANDRE

Météorologie Nationale

Etablissement d'Etudes et de Recherches Météorologiques

Groupement de Météorologie Dynamique

73-77 Rue de Sèvres - 92100 Boulogne

Au cours de ces quatre dernières années l'étude de la turbulence a enregistré d'importants progrès sur le plan théorique. Ces progrès sont dus à une meilleure compréhension des phénomènes d'irréversibilité et d'amortissement tourbillonnaire dans les théories statistiques de la turbulence. Ils ont permis d'apporter une solution intéressante au problème de la fermeture des équations aux corrélations statistiques entre les paramètres décrivant l'état du fluide atmosphérique (vitesse et/ou température essentiellement). Ces méthodes de fermeture sont caractérisées par l'introduction de termes irréversibles prenant en compte de façon phénoménologique l'influence des corrélations d'ordre élevé. En pratique, ces théories décrivent de façon explicite les corrélations d'ordre 1 (vitesse et/ou température moyennes), d'ordre 2 (énergie cinétique turbulente et transfert turbulent de chaleur par exemple) et d'ordre 3 (essentiellement le transfert d'énergie cinétique turbulente) alors que l'action irréversible des corrélations d'ordre 4 est prise en compte par un terme d'amortissement turbulent. Ces théories ont été appliquées à divers types d'écoulements d'intérêt géophysique et météorologique. Dans le cas de la turbulence homogène et isotrope, une théorie ainsi construite (Frisch, Lesieur, Brissaud, 1974) a été utilisée pour décrire l'écoulement bidimensionnel de l'atmosphère à grande échelle ainsi que pour étudier les phénomènes de viscosité turbulente des écoulements tridimensionnels. Dans le cas de la turbulence inhomogène suivant la verticale, une théorie susceptible des mêmes justifications (Blanchet, 1970) a permis de simuler les variations diurnes à l'intérieur de la couche limite planétaire.

## 1 – Turbulence bidimensionnelle et dynamique de grande échelle

Dans le cas de la turbulence homogène et isotrope, la théorie dite "théorie quasi-normale avec amortissement turbulent", dont l'élément essentiel est la prise en compte de l'interaction irréversible entre les corrélations d'ordres successifs (André, 1974) par l'intermédiaire d'un temps de relaxation pour les corrélations triples (Lesieur, 1973), a été appliquée avec succès aux écoulements bidimensionnels. On a pu ainsi mettre en évidence l'importance des propriétés de conservation vis à vis du comportement statistique de l'écoulement (Basdevant, 1973 ; Basdevant, Sadourny, 1975). En particulier la conservation de l'enstrophie (carré du tourbillon) joue un rôle fondamental dans la détermination des transferts d'énergie entre les différentes échelles du mouvement et dans l'établissement de la répartition spectrale de l'énergie cinétique suivant une loi de Kolmogorov en $k^{-3}$ (Pouquet, Lesieur, André, 1975). La restriction de cette théorie au cas bidimensionnel et isotrope a été justifiée par les résultats de l'expérience EOLE (Morel, Bandeen, 1973) qui a permis, entre autre, de vérifier l'isotropie et la quasi-bidimensionnalité de l'écoulement atmosphérique pour des échelles variant approximativement entre 100 et 1000 km. L'étude théorique fournit d'autre part un cadre adéquat pour la compréhension des données EOLE aussi bien en ce qui concerne la divergence atmosphérique à 200 mb (Necco, 1972 ; Morel, Necco, 1973), que certains aspects de la circulation générale dans l'hémisphère sud (Desbois, 1973 ;
1974a ; 1974b ; Morel, Desbois, 1974) et que la diffusion turbulente à grande échelle (Morel, Larchevêque, 1974).

Notons enfin que la conservation de l'enstrophie (ou plus exactement de la pseudo-vorticité potentielle) est un élément fondamental à considérer dans la construction des schémas numériques destinés à la simulation sur ordinateur de la circulation atmosphérique (Sadourny, 1973 ; 1975a ; 1975b ; Basdevant, Sadourny, 1974). (cf. le chapitre "Simulation Numérique" pour les autres aspects de ce problème).

## 2 – Turbulence tridimensionnelle et couche limite

Dans ce domaine aussi, la théorie quasi-normale avec amortissement turbulent a trouvé d'intéressantes applications. Tout d'abord, dans le cadre de la turbulence tridimensionnelle et isotrope, elle a permis d'éclairer d'une nouvelle manière le problème de la dissipation turbulente de l'énergie cinétique en montrant que cette dernière est due à l'apparition de zones où la vorticité se concentre fortement (Brissaud, Frisch, Léorat, Lesieur, Mazure, Pouquet, Sadourny, Sulem, 1973). En plus de l'énergie cinétique, les écoulements tridimensionnels admettent un autre invariant : l'hélicité, produit scalaire de la vitesse par le tourbillon. La conversation de cette seconde quantité pourrait modifier la dynamique des écoulements tridimensionnels (Lesieur, Frisch, Brissaud, 1971 ; Brissaud, Frisch, Léorat, Lesieur, Mazure, 1973), en particulier dans la couche limite planétaire où l'action combinée de la force de Coriolis et du gradient de l'intensité de la turbulence est un facteur favorable au développement de l'hélicité.

En ce qui concerne l'étude de la turbulence inhomogène, la théorie décrite précédemment est pratiquement inutilisable car elle implique des calculs difficilement généralisables en présence d'inhomogénéités. Il faut donc introduire l'amortissement turbulent de façon simplifiée. Ceci est possible en juxtaposant au système des équations aux corrélations statistiques jusqu'à l'ordre 3 inclus un système d'inégalités destinées à limiter la croissance des corrélations triples (Blanchet, 1970). Une telle théorie, basée en outre sur l'approximation de Boussinesq mais n'incluant pas de coefficients d'échange turbulent, permet alors de décrire l'évolution diurne des paramètres météorologiques dans la couche limite planétaire : température moyenne (André, 1971), vent horizontal moyen (De Moor, 1972) et dispersion turbulente de polluants passifs (Blanchet, Lacarrère, Miqueu, du Vachat, 1973). De telles simulations sont en accord qualitatif avec des résultats expérimentaux comme l'établissement du régime d'Ekman ou le développement des couches convectives et des instabilités thermiques. En ce qui concerne ces derniers phénomènes, une autre approche a été développée pour expliquer la montée par saut du front convectif (Guillemet, 1973 ; Guillemet, Rosset, Mascart, Isaka, Soulage, 1973), approche basée sur la simulation numérique directe des équations de Boussinesq sur une maille très fine (50 x 50 x 50 m) et utilisant des coefficients d'échange déterminés à partir du nombre de Richardson pour paramétriser les transferts turbulents d'échelle inférieure à la maille, permet une description fine et non statistique de l'évolution d'une couche limite planétaire en équilibre dans un écoulement de plus grande échelle (Somméria, 1974a ; 1974b).

## 3 – Conclusion

Ces dernières années ont vu un développement important d'une nouvelle approche de la turbulence basée sur la mécanique statistique. Ces théories ont apporté un nouvel éclairage sur la dynamique turbulente de l'atmosphère, aussi bien à grande qu'à petite échelle. Dans le domaine de la couche limite elles ont permis de préciser certaines
conditions d'application et aussi certaines limitations des approches plus anciennes telles que celles basées sur la notion de coefficient d'échange turbulent.

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# SECTION VI

## SCIENCES HYDROLOGIQUES
TABLE DES MATIERES

<table><thead><tr><th></th><th>Pages</th></tr></thead><tbody><tr><td>I - Télédétection et hydrologie, P. POUCHAN et M. VUILLAUME</td><td>173 3</td></tr><tr><td>II - Le traitement automatique des données, P. DUBREUIL</td><td>174 4</td></tr><tr><td>III - Qualité des eaux, G. LEYNAUD</td><td>176 6</td></tr><tr><td>IV - Les bassins représentatifs et expérimentaux, P. DUBREUIL et R. HLAVEK</td><td>178 8</td></tr><tr><td>V - Eaux souterraines, grands axes de recherches et d'études, G. CASTANY</td><td>181 11</td></tr><tr><td>VI - Les modèles stochastiques dans les sciences hydrologiques, J. BERNIER</td><td>185 15</td></tr><tr><td>VII - Dynamique des glaciers tempérés et propriétés de la glace, L. LLIBOUTRY</td><td>187 17</td></tr><tr><td>VIII - Glaciologie des régions polaires, R. DELMAS</td><td>191 21</td></tr></tbody></table>
# I – TELEDETECTION ET HYDROLOGIE

P. POUCHAN et M. VUILLAUME

Ces dernières années, l'application des techniques de télédétection à l'hydrologie a consisté en l'étude d'un certain nombre de cas concrets par différents groupes de chercheurs.

## Technologie

La plupart des études ont été réalisées par détection passive (photographie multibande et imagerie infra-rouge). Le matériel utilisé, Cyclope et Super Cyclopa, a été construit par la S.A.T. Le Centre National d'Etudes Spatiales et l'Institut Géographique National ont souvent apporté leur concours technique.

## Principales études hydrologiques

- Le groupe du Professeur AVIAS (Montpellier) a particulièrement étudié les conditions de mise en oeuvre et de mesure aéroportée ainsi que les conditions de traitement de l'image en vue de l'analyse immédiate sur un certain nombre de sites dans le sud-est de la France.

- Le Groupe de détection à distance du Centre d'Hydrogéologie et de l'Institut de Géodynamique des Universités I et III de Bordeaux a montré les possibilités et les limites de la détection infra-rouge dans la recherche des émergences occultes, des sources thermales et des réseaux karstiques de sub-surface.

- Le Laboratoire de Radiogéologie de l'Université de Bordeaux I a étudié certaines possibilités d'application de la télédétection passive aux problèmes d'aménagement régional et de pollution.

- Le Bureau de Recherches Géologiques et Minières a procédé à des études interprétatives sur différents sites et notamment sur les émergences de Port-Miou.

- La Compagnie Générale de Géophysique a procédé à une expérimentation poussée des techniques d'acquisition des données et d'interprétation objective en zone calcaire fissurée.

Plus récemment, la remarquable imagerie multispectrale fournir par le satellite ERTS a ouvert le champ des applications.

L'Action Thématique Programmée du CNRS "Traitement des Images" a permis la mise au point d'un programme d'analyse discriminante. Le procédé de classification supervisée permet le traitement de l'information fournie par 10 canaux (0,3 µ à 1,1 µ).

Sur le plan national, un sous-groupe "Bilan des Ressources en Eau" (BRGM, INRA, ORSTOM, Laboratoire de Météorologie Dynamique) s'est organisé. Les objectifs en cours ou prévus portent sur :

- La typologie des Bassins Versants - Thème central : télédétection, géomorphologie, végétation,

- la mesure de l'Evapotranspiration - Thème central : Rayonnement Net et E.T.R. - Des études avancées ont été déjà réalisées par le Centre Technique du Génie Rural et des Eaux-et-Forêts,

- la mesure de la teneur en eau du sol - Thème central : Pénétration des ondes - Des contacts internationaux étroits sont envisagés.
## II – LE TRAITEMENT AUTOMATIQUE DES DONNEES

P. DUBREUIL

Le dépouillement des observations et des mesures, comme le calcul des données caractéristiques qui en découlent, ont réellement cédé la place au cours de la période 1971-74 au traitement automatique des données avec recours systématique à l'informatique.

Cette automatisation s'est effectuée aussi bien au stade de la saisie et de la collecte des données par la mise au point d'enregistreurs à sortie codée compatible avec l'ordinateur, qu'au stade du traitement proprement dit où se sont constitués des bibliothèques de programmes et des fichiers de données.

Cette automatisation a été rapide. Embryonnaire avant 1970, elle est peu à peu introduite dans presque tous les Services et Centres de recherches, et elle est devenue opérationnelle dans la plupart d'entre eux vers 1973 et 1974.

Des choix d'équipement et des choix méthodologiques ont été faits au cours de cette période d'automatisation. Parallèlement le nombre de paramètres caractéristiques des eaux, dont la saisie a été jugée utile, s'est notablement accru. Il en résulte une physionomie particulière de l'automatisation dans chaque domaine des sciences hydrologiques.

Tout d'abord, en ce qui concerne les réseaux classiques d'hydrométrie et de climatologie associée (pluviométrie...), l'automatisation a été généralisée dans les Services gestionnaires à tous les niveaux de la chaîne de gestion.

Au niveau de la saisie, des essais d'enregistrement magnétique sur cassettes, directement sur le terrain, ont conduit à la mise au point de prototypes et d'appareils de pré-série (E.D.F. - D.T.G. à Grenoble).

L'introduction en gestion opérationnelle de réseau de ces nouveaux dispositifs ne devrait être sensible qu'au-delà de 1975. Présentement les parcs d'appareils à sortie sur diagramme restent opérationnels (équipement relativement jeune), aussi l'automatisation du traitement les concernant a-t-elle consisté en l'emploi de lecteurs ou analyseurs de courbes semi-automatiques. De tels équipements sont devenus opérationnels à E.D.F. - D.T.G., au Service de l'Hydraulique du Ministère de l'Agriculture (S.R.A.E.) et à l'ORSTOM.

Le traitement de base de ces données de réseaux est entièrement automatique dans ces mêmes Services. Les annuaires hydrologiques sont tous maintenant produits directement sur imprimantes d'ordinateur. L'ORSTOM assure même ainsi depuis 1973 l'impression d'annuaires pour 13 Etats.

Toutes ces données sont rangées en fichiers organisés, qui commencent à former de véritables Banques de données dont l'accès (chargement ou extraction) s'exécute selon des procédures automatiques. Il en est ainsi aussi bien pour les rivières de France que pour les précipitations (Bureau de l'Eau de la Météorologie Nationale). Dans les DOM-TOM et les quelques quinze Pays dans lesquels l'ORSTOM opère directement ou en collaboration (AFRIQUE Francophone, MAGHREB, BRESIL...), on dispose maintenant de fichiers pluviométriques, hydrométriques et parfois climatologiques dont certains (précipitations dans neuf Etats d'AFRIQUE Tropicale) sont déjà publiés.

Un développement considérable et décisif est à noter dans le domaine des paramètres hydriques de la zone non-saturée du sol. Méthodologie et appareillages ont été mis au point afin d'obtenir des mesures continues des tensions et des teneurs en eau. Ces travaux sont le
fait du BRGM, d'une part, de diverses équipes universitaires à Grenoble, Paris – Thonon, Montpellier et Toulouse ainsi que du CEA et de l'INRA, d'autre part.

Une chaîne automatique d'acquisition des données, comparable, a été mise au point au BRGM pour les paramètres physico-chimiques des aquifères.

Enfin, on note évidemment un effort parallèle en ce qui concerne la saisie et le traitement des données concernant les éléments dissous et transportés par les eaux. Les problèmes d'appareillage ont été résolus de diverses manières, certainement insuffisamment cohérentes, à partir d'une profusion d'offres de constructeurs étrangers et français dans la production desquels les bons éléments n'apparaissent pas encore clairement. Notons que l'appareillage de prélèvement automatique d'échantillon d'eau ou d'analyse "in situ" est nettement plus élaboré pour les éléments dissous (pression des Services chargés du contrôle de la pollution des eaux), que pour les éléments transportés (intérêt limité en France métropolitaine pour un phénomène non majeur).

Des programmes de traitement automatique de ces résultats d'analyse confrontés aux valeurs de débit commencent à apparaître. Ils seront de plus en plus employés pour les simulations de fonctionnement des systèmes d'eau (exemple : salinité des eaux d'irrigation).

En matière de conclusion, on peut dire que le traitement automatique des données est entré dans les moeurs hydrologiques. Il y a introduit une rigueur qui devrait conduire en amont à améliorer la précision et la fiabilité des capteurs de terrain (pluies, débits). Un important travail est commencé mais non achevé en ce qui concerne la mise en fichiers des données historiques et l'analyse de consistance de ces données. En ce domaine, l'informationneur, prévision, pré-vention, prévention.

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# III — QUALITE DES EAUX

## G. LEYNAUD

### 1 — ASPECTS GENERAUX CONCERNANT LA QUALITE DES EAUX

#### Méthodes analytiques et détection

Un effort important d'harmonisation et de normalisation des méthodes d'analyse employées par les divers laboratoires a été effectué (inventaire du degré de pollution).

Les micropolluants (métaux lourds, pesticides, P.C.B. ...) ont fait l'objet de nombreux travaux (mise au point des méthodes d'analyse, recherche dans les eaux, les matières en suspension, les sédiments et les organismes).

De nombreux essais ont été réalisés sur les appareils de mesure "in situ" de divers paramètres de la qualité des eaux ; des stations automatiques de mesure ou de surveillance ont été installées ; leur exploitation pose d'ailleurs de nombreux problèmes encore incomplètement résolus.

Un dispositif biologique automatique de détection des pollutions aiguës, basé sur le comportement du poisson, a été mis au point et utilisé dans des stations de surveillance de la qualité des eaux.

Les techniques de télédétection et transmission ont fait l'objet d'un début d'application.

#### Toxicité

Un test basé sur l'immobilisation de la daphnie a été mis au point et adopté pour le calcul des redevances imposées sur les déversements de substances toxiques ou inhibitrices.

Les procédures de réalisation des tests de toxicité à court terme sur les poissons et d'interprétation des résultats ont été perfectionnées.

Des actions concertées intéressant plusieurs laboratoires ont été menées pour l'étude des divers aspects de l'intoxication par le plomb sur les poissons, les bactéries, les protozoaires et divers organismes aquatiques.

Des travaux concertés encore en cours ont été entrepris pour préciser le cheminement et le comportement des polluants vis-à-vis des chaînes alimentaires aquatiques.

Un effort de recherche important et soutenu a été réalisé pour l'isolation, la concentration des micropolluants susceptibles d'être trouvés dans les eaux superficielles utilisées pour la préparation d'eau potable et pour l'évaluation de leur toxicité.

Celle-ci a été testée sur cultures cellulaires (cytotoxicité) et animaux de laboratoire.

L'étude des relations entre la qualité des eaux, la morbidité et la mortalité a été entreprise.

### 2 — EAUX SOUTERRAINES

Des études méthodologiques ont porté sur l'utilisation des données géochimiques pour une meilleure connaissance de l'hydrodynamique et de l'alimentation des nappes.
De très nombreuses données de cette nature ont été recueillies sur les principaux aquifères et mises en mémoire ; leur traitement a fait l'objet de diverses mises au point (corrélations multiples — analyse factorielle des correspondances — analyse en composantes principales).

Les recherches ont également porté sur le comportement des polluants en milieu saturé et non saturé (transit, dégradation) et la propagation des pollutions des eaux superficielles vers les nappes alluviales; dans ce domaine il faut également signaler les études et expérimentations sur le rôle et les capacités du sol en matière d'épuration (épandage des eaux usées et des boues des stations d'épuration) et sur l'alimentation des nappes à partir d'eaux superficielles traitées ou non.

La pollution de quelques nappes importantes et particulièrement vulnérables (Alsace, Beauce) a fait l'objet d'une surveillance intensive.

La cartographie des réserves d'eaux souterraines de bonne qualité et de la vulnérabilité des nappes à la pollution a été effectuée.

### 3. LES EAUX SUPERFICIELLESS

Une attention croissante a été portée au rôle des matières en suspension et des sédiments dans les phénomènes de pollution notamment par les micropolluants.

L'étude détaillée des effets physiques et biologiques des matières en suspension (pollutions mécaniques) a été entreprise.

Les recherches sur la biologie des organismes aquatiques et les effets des pollutions ont été développées, elles ont abouti à la mise au point de méthodes biologiques pour la détection des altérations de la qualité des eaux. Elles ont permis aussi la mise en évidence et la caractérisation d'une structure biologique typique à l'échelle d'un réseau hydrographique constituant la base de référence indispensable pour l'appréciation du degré d'altération dû aux pollutions aux différents niveaux écologiques.

En 1971 a été réalisé l'inventaire national du degré de pollution des eaux superficielles à partir de 1201 points d'examen répartis sur l'ensemble du réseau hydrographique. Cet inventaire a porté sur les caractéristiques physico-chimiques, hydrobiologiques, bactériologiques et radioactives des eaux, il a donné lieu à une harmonisation des méthodes de prélèvement et analyse pratiquées par les divers services et laboratoires et à l'application généralisée d'une méthode hydrobiologique (indices biotiques).

Les problèmes liés au réchauffement artificiel des eaux ont fait l'objet de travaux dans le domaine de l'autoépuration et des effets biologiques (températures létales, déplacements de poissons, modifications au niveau des algues et des invertébrés aquatiques, incidence sur la toxicité de certains polluants).

Un modèle mathématique permettant la détermination de la température des cours d'eau à partir des données des stations climatologiques et la prévision de l'impact physique des rejets thermiques a été mis au point et appliqué aux principaux fleuves français.

Des recherches approfondies ont été entreprises sur les phénomènes de transfert des éléments fertilisants ou polluants des sols vers les eaux superficielles et souterraines.

Des études sur les incidences des travaux d'hydraulique sur la qualité biologique des cours d'eau et les mesures à prendre pour limiter leurs effets nocifs sont en cours.

L'effort de recherche sur les lacs et l'évolution de la qualité de leurs eaux sous l'influence des apports par les tributaires et les affluents riverains ("eutrophisation") a été poursuivi et amplifié. Des mesures de protection basées sur ces recherches ont été proposées et réalisées pour certains lacs importants (dérivation des apports).
# IV - LES BASSINS REPRESENTATIFS ET EXPERIMENTAUX

P. DUBREUIL et R. HLAVEK

La matière relative aux bassins représentatifs et expérimentaux est très vaste, puisque ceux-ci constituent peut-être l'outil privilégié de l'hydrologue pour ses investigations scientifiques, et qu'en conséquence les retombées sont nombreuses et variées.

Si l'on veut caractériser, en quelques mots, le bilan 1971-74 en matière de bassins représentatifs et expérimentaux, on peut faire état :

- d'un développement continu sous l'impulsion de la Décennie Hydrologique Internationale,

- d'un approfondissement de l'analyse du mécanisme de transformation des pluies en débits, grâce à la mise en oeuvre de nombreux modèles déterministes,

- d'un effort particulier sur la dynamique de l'eau dans la zone non-saturée,

- d'un élargissement des variables contrôlées avec une prise en compte des paramètres de qualité des eaux,

- d'une tendance à rechercher davantage et à préciser l'influence de l'homme sur les ressources en eau.

On compte en FRANCE Métropolitaine 21 bassins en exploitation auxquels s'ajoutent 5 bassins en France d'outre-Mer. Il faut également mentionner 7 à 9 bassins représentatifs et 1 expérimental exploités par l'ORSTOM dans le Bassin méditerranéen et en AFRIQUE Tropicale.

Si le nombre de bassins est important, la diversité des sujets ne l'est pas moins, beaucoup de ces bassins répondant à un objectif spécifique original.

Une majorité de bassins étaient évidemment orientés vers la connaissance du comportement hydrologique particulier à un milieu naturel bien défini.

La variété retenue en est assez riche :

- versant alsacien du Massif vosgien (DOLLER, géré par le S.R.A.E. d'Alsace),

- socle armoricain granitique ou schisteux (BLAVET, géré par le CTGREF),

- limons de Brie (ORGEVAL, géré par le CTGREF),

- massif schisteux des Maures (REAL COLLOBRIER, géré par le CTGREF),

- molasse des coteaux du Gers (MIELAN, géré par GERSAR),

- plateau cristallin de Millevaches (DIEGE, géré par E.D.F., puis par Laboratoire d'hydrologie de Montpellier),

- grès et calcaires du bassin de la Vézère (S.H.C. de Dordogne),

- forêt équatoriale sur granites (Cr. GREGOIRE, géré par ORSTOM)... etc.

La compréhension de l'influence du milieu sur les divers composants du cycle de l'eau a été mise en évidence dans ces divers bassins. Plusieurs responsables scientifiques ont fait des thèses sur ce sujet. Parallèlement aux études globales classiques des relations pluies-saturation-ruissellement, le développement des modèles déterministes a beaucoup contribué à cette compréhension. Le Laboratoire d'hydrologie de Montpellier a ainsi pu tester son modèle sur les bassins de la DIEGE, de l'ORGEVAL, du REAL COLLOBRIER... ce qui lui a permis d'organiser le calage des paramètres en fonction du milieu.
D'autres modèles ont été élaborés parallèlement par l'ORSTOM en collaboration avec le QUEBEC (modèle à discrétisation spatiale, c'est-à-dire à mailles carrées), et également par l'Agence de bassin Rhône-Méditerranée (modèle de reconstitution des crues cévenoles du Gardon d'Anduze en vue d'application à la prévision). Dans ce dernier cas, une analyse hydrodynamique des sols a permis de lier le calage des paramètres à la nature des terrains (granites, schistes ou calcaires). La fonction de production de ces modèles s'est perfectiée grâce aux nombreux travaux sur les mouvements de l'eau dans la zone non-saturée, menés aussi bien sur le plan théorique qu'expérimental par diverses équipes (Université de Grenoble, Montpellier, Toulouse, Gersar...). On peut mentionner particulièrement la mise en oeuvre des techniques neutroniques d'humidité des sols, permettant d'analyser le rôle de celles-ci dans l'apparition du ruissellement et l'évolution vers la saturation en période pluvieuse, comme vers le déssèchement du contenu en eau du sol en période sèche (bassin de MIELAN, travaux ORSTOM en COTE D'IVOIRE et à MADAGASCAR). Sur certains bassins, l'objectif était la compréhension du mécanisme d'alimentation de la nappe.

Sur le bassin de l'HALLUE, le BRGM a réglé un modèle bi-dimensionnel de nappe d'après la méthode de MERO, ainsi qu'un modèle de déconvolution liant pluie et écoulement. L'application en est faite à la simulation de fonctionnement des aquifères de la craie du Nord de la FRANCE.

La mise en oeuvre du même modèle de MERO sur le bassin du karst de SAUGRAS (Laboratoire d'Hydrogéologie de Montpellier) a donné également des résultats intéressants quant à l'infiltration efficace dans ces terrains particuliers.

Les problèmes de qualité des eaux ont retenu l'attention de certaines équipes de recherche. L'INRA a dressé ainsi le bilan hydrique du lac de NANTUA par modèle probabiliste en introduction à une étude de contrôle de l'eutrophisation. Sur le bassin des Blaves (pré-Alpes de la rive gauche du Léman), le Centre de Recherches Géodynamiques à étudié les conditions de recharge et la durée de renouvellement des divers aquifères de cette région géologique complexe (grès et calcaires sous un épais recouvrement quaternaire). A cet effet, un modèle a été établi à partir de la concentration en tritium des eaux, d'une hypothèse de recharge constante (sorties linéairement liées aux entrées) et d'un algorithme de mouvement dans la zone non-saturée. La réalimentation des nappes est supposée se faire par mélange des apports annuels au stock existant. L'analyse des concentrations en oxygène 18 a permis de préciser ce modèle.

On mentionnera enfin, les recherches du CTGREF (Bassin de l'ORGEVAL) pour mettre au point une méthode d'estimation de l'évapotranspiration réelle à l'échelle d'un bassin à partir des variables climatiques classiques, et de calcul de l'évolution de la réserve en eau du sol (bilans mensuels puis décadaires). Une parcelle expérimentale de 600 m², drainée, a été utilisée pour le calage de ce processus. Elle a également servi à l'analyse de l'influence du drainage sur le régime d'écoulement à partir de pluies artificielles chargées en traceur. Les effets de piston et de mélange des eaux y ont été décelés comme susceptibles de se manifester concomitamment.

Parallèlement à ces nombreux travaux analytiques, on notera l'effort particulier déployé pour publier les résultats de recherches de manière coordonnée, et pour diffuser les données de base recueillies. Là aussi, le traitement automatique des informations collectées a apporté une aide efficace, son introduction est particulièrement nette au CTGREF d'ANTONY, au Laboratoire d'Hydrologie de Montpellier et à l'ORSTOM. Des programmes originaux de traitement des données de bassins représentatifs ont été mis au point.

L'influence de l'homme sur le cycle hydrologique commence sérieusement à être analysée par diverses équipes. On peut rappeler les travaux du CTGREF pour le contrôle des effets du drainage agricole, et des rejets de produits de traitement agricole (bassin de l'ORGEVAL), ceux de l'INRA sur l'eutrophisation. L'ORTSOM poursuit des études sur
l'érosion des terres soumises à l'action de l'homme (REPUBLIQUE CENTRAFRICAINE, TUNISIE). Elle a également commencé l'exploitation d'un bassin expérimental destiné à étudier les effets sur le cycle de l'eau de la mise en cultures (rizières, plantations forestières. ...) des prairies naturelles des plateaux malgaches ou de maquis méditerranéen (déforestation dans les Monts de Khoumirie, TUNISIE).

Une intensification de ces études expérimentales de l'influence de l'homme est certaine
au cours des prochaines années.

Sélection de références bibliographiques :

DUBREUIL P. — "Recueil des données de base des bassins représentatifs et expérimentaux de l'ORSTOM 1951-69" — ORSTOM Editeur — 916 p. 1972.

CORMARY Y., GUILBOT A. — "Etude générale de quelques modèles déterministes de relations pluies-débits". — Laboratoire Hydrologie de Montpellier — 1971.

DUBREUIL P. — "L'exploitation systématique des données de bassins représentatifs en traitement automatique" — *Cah. ORSTOM — Ser. Hydrologie*, Vol. VIII, 3, 1971.

GIRARD G. et als. — "Modèle précipitations-débits à discrétisation spatiale" — *Cah. ORSTOM — Ser. Hydrologie*, Vol. IX, 4, 1972.

OBERLIN G. — "Les bassins représentatifs de l'ORGEVAL : étude du bassin de la GOUGE 1962-66" — *Bull. Techn. du Génie Rural* n° 109 — 1971.

RAMPON A. — "Contribution à l'étude des facteurs du bilan de l'eau, les bassins représentatifs du BLAVET" — CTGREF Antony — 1972.

SIWERTZ E. — "Etude expérimentale par le tritium et l'oxygène 18 de l'infiltration sur lysimètre et sur le bassin de THONON" — Thèse Univ. Paris VI, 1973.

HOFER G. — "Contribution à l'amélioration de la prévision des crues. Modèle de relation pluie-débit du bassin du GARDON D'ANDUZE" — Agence Rhône Méditerranée — 1974 (thèse ing. doct. à Paris VI).

Nombreux Auteurs. — "Décennie Hydrologie Internationale. Résumés des résultats de recherches obtenus par la FRANCE sur bassins représentatifs". — *Cah. ORSTOM — Serv. Hydrologie*, Vol. IX, 2, 1974.

N.B. — Ce document contient toute l'information et des listes bibliographiques complètes sur les bassins représentatifs français exploités jusqu'en 1974.
# V - EAUX SOUTERRAINES, GRANDS AXES DE RECHERCHES ET D'ETUDES

## G. GASTANY

Les recherches et études, en France, concernant les eaux souterraines sont entreprises, d'une part, par les laboratoires spécialisés des Universités et des Grandes écoles, le Centre national de la Recherche scientifique (CNRS) et la Délégation générale à la Recherche scientifique et technique (DGRST) et, d'autre part, par des organismes publics ou privés.

Dans le domaine de la recherche scientifique, en laboratoires et sur le terrain, le CNRS, par une Action thématique programmée "Hydrogéologie", a largement contribué au développement et à la coordination des recherches sur l'eau souterraine. Les travaux sont groupés autour d'un grand thème général "mécanismes des interactions entre l'eau souterraine, milieu et agent vecteur et son environnement naturel ou modifié par l'homme (conditions atmosphériques, biosphère, sol et sous-sol)". Vingt-quatre équipes ont participé à cette Action.

Tout en ayant contribué à la recherche scientifique, les grands organismes, publics ou privés, ont développé la recherche appliquée et les études. Nous citerons : le Service géologique national (B.R.G.M.), le Service des problèmes de l'eau du Ministère de la Qualité de la Vie (S.P.E.), les Agences financières de bassins, les services du Ministère de l'Agriculture (service centraux, services régionaux de l'aménagement des eaux, Instituts nationaux agronomiques), l'Institut français du pétrole, le Commissariat à l'énergie atomique. Les résultats obtenus par ces établissements de recherches sont dégagés dans le texte.

## INFORMATIQUE HYDROGEOLOGIQUE. DEVELOPPEMENT DES MODELES MATHEMATIQUES

Quoique l'emploi des modèles analogiques R-C ait connu une nette amélioration par le couplage avec un ordinateur (système hybride), l'effort a surtout porté sur les modèles mathématiques. Cette action a été conduite en coopération avec des chercheurs étrangers. De nouvelles techniques de prétaitement des données ont été développées afin d'obtenir des informations élaborées. Nous citerons le calcul des paramètres d'après des phénomènes complexes, l'extension des séries chronologiques et la reconstitution des données manquantes, l'interpolation dans l'espace d'observations ponctuelles (cartographie automatique, "krigeage"), la recherche statistique de fonction de transfert ou de "convolution" entre les précipitations et l'infiltration efficace, appliquée à la définition de l'alimentation des nappes, l'adaptation, dans le même but, de "modèles déterministes globaux" de bassin à pas de temps variés. Les modèles matriciels de distribution spatiale du module d'écoulement total et de l'écoulement souterrain sont la base d'applications à la cartographie des eaux souterraines.

Les modèles de simulation hydrodynamique ont pris un grand essor. Des bibliothèques de programmes ont été constituées. Les méthodes par différences finies ou par éléments finis ont été développées. Les principaux problèmes traités sont : exploitation d'une nappe captive (ou libre peu influencée) en régime permanent, simulation des écoulements à surface libre et des écoulements avec front salé (modèles hydrodispersifs), procédure de digitalisation des limnigrammes, écoulement en milieu fissuré, écoulements polyphasiques, notamment des déplacements de front (interface eau douce/eau salée, propagation de front de
pollution), écoulements avec dispersion, étude des aquifères multicouches (en particulier du bassin d'Aquitaine).

L'étude des transferts thermiques associés aux écoulements, appliquée à l'exploitation des gisements géothermiques à basse température et à la réinjection d'eaux chaudes, a été abordée par des modèles hydrogéothermiques.

La mise au point de modèles hydrogéochimiques a permis l'étude des échanges entre l'eau souterraine et la matrice solide en vue de la prévision, en milieux non saturé et saturé, des modifications de la qualité chimique des eaux souterraines sous l'action des facteurs naturels ou artificiels.

L'exploitation rationnelle et la conservation des ressources en eau ont été abordées par l'établissement de modèles de gestion et d'optimisation économique. L'objectif est d'établir des modèles permanents, lesquels seront consultés lors de toute exploitation nouvelle.

## HYDROGEOLOGIE DES CALCAIRES FISSURES

L'orientation des recherches a été accentuée vers l'acquisition des paramètres physiques (fissuration, karstification) et hydrodynamiques des roches carbonatées. Le but est de représenter la structure interne des réservoirs (répartition dans l'espace et le temps des paramètres), en principe hétérogènes, en vue de l'application de modèles mathématiques pour la simulation des écoulements et de perfectionner l'implantation des ouvrages de captage et l'exploitation rationnelle des eaux souterraines. L'étude du régime des eaux souterraines a été abordée par des recherches concertées de géologie structurale, d'hydro-dynamique, d'hydrogéochimie et de géobiologie. Des résultats encourageants ont été obtenus.

Des recherches sont en cours sur les transferts des solutions dans la zone saturée des aquifères fissurés, principalement carbonatés et argilo-carbonatés.

## APPLICATION DES TECHNIQUES NUCLEAIRES A L'HYDROGEOLOGIE

Les recherches et les applications ont porté principalement sur les mesures par sondes à neutrons et le carottage nucléaire et l'hydrogéochimie isotopique. Dans ce domaine, outre les études classiques d'applications hydrogéologiques des isotopes du milieu (oxygène 18, carbone 13 et 14, deutérium, tritium), des recherches ont abouti sur l'emploi de l'azote 15 et du soufre 34. La méthodologie de l'utilisation des isotopes artificiels a été perfectionnée sur des stations d'essais. L'application des méthodes de géochimie isotopique a été particulièrement développée à la détermination des paramètres hydrodynamiques des aquifères, au renouvellement des réserves et à la propagation des polluants. Des recherches sont poursuivies sur l'utilisation des isotopes du milieu dans le contexte hydrogéochimique et biologique général.

Les laboratoires, bien équipés, permettent d'effectuer, non seulement toutes les analyses classiques, mais grâce à la confrontation entre hydrogéologues et géochimistes, d'interpréter les résultats avec le maximum d'efficacité.

## ETUDE DE LA ZONE NON SATUREE - MECANISME DES ECHANGES ATMOSPHERE-EAUX SOUTERRAINES

Un effort de recherche important, en laboratoire et sur stations d'essais, concernant la zone non saturée a abouti à des résultats concrets. Les transferts d'eau et l'évolution des caractéristiques géochimiques de l'eau ainsi que les échanges avec les formations géologiques
de substances minérales ou organiques sont abordés par des études hydrodynamiques, hydrogéochimiques, thermodynamiques et biologiques. Actuellement les études hydrodynamiques, y compris la dynamique de la dispersion, sont très avancées. Les résultats obtenus ont permis de maitriser les problèmes de transferts de masses. L'influence de la température sur le transfert d'humidité est en cours d'étude. Une attention particulière est portée sur les cycles de l'azote (application à l'azote 15) et du carbone (application au carbone 14).

Les appareils de mesure, in situ, des différents paramètres et en particulier de l'humidité et de la tensiométrie sont opérationnels. L'automatisation des mesures est au point. Des modèles mathématiques ont été réalisés.

Possédant ainsi des laboratoires bien équipés, des stations d'essais in situ, un matériel de mesure adapté et des équipes multidisciplinaires de recherches, l'hydrogéologie en France aborde l'étude de la zone non saturée avec efficacité.

## ACTION DE L'HOMME SUR LA QUALITE DE L'EAU. PREVENTION, DETECTION ET PROTECTION DES EAUX SOUTERRAINES ET DU SOUS-SOL CONTRE LA POLLUTION

L'action de l'Homme sur la qualité des eaux souterraines, ayant fréquemment pour résultats sa dégradation, s'accroît constamment. Les études, en laboratoire et sur stations d'essais, concernent les transferts, la dilution et la dispersion de substances polluantes et les interactions physico-chimiques entre les polluants et les constituants des formations géologiques. Les conséquences de la fertilisation croissante des terres agricoles (nitrates en particulier) ont été abordées dans quelques régions (Nord de la France, bassin de Paris). Un effort particulier a porté sur une pollution naturelle très fréquente : l'invasion des eaux salées marines dans les eaux douces sur le littoral. Il a abouti à une méthodologie d'investigation et de protection.

Des modèles mathématiques de simulation de la propagation, donc de la prévision, de la pollution ont été élaborés.

La définition de critères de la vulnérabilité des nappes à la pollution a abouti à l'établissement de cartes spécialisées à différentes échelles (1/25 000 à 1/200 000).

Toutes les recherches effectuées ont permis d'aborder, avec plus de rigueur, la définition des périmètres de protection des aquifères.

## AUTRES THEMES D'ETUDES

La technique de l'alimentation artificielle des nappes d'eaux souterraines a été perfectionnée et appliquée sur différents sites expérimentaux. En particulier l'injection d'eau de surface dans l'acquifère captif albien du bassin de Paris a donné des premiers résultats encourageants.

Des recherches sont en cours sur la thermonétrie des eaux souterraines profondes, en particulier du bassin de Paris et du bassin d'Aquitaine. Elles ont des applications vers l'utilisation des eaux chaudes et la thermodynamique.

Des études expérimentales des caractéristiques du transfert et de l'emmagasinement de l'eau dans les formations reputées imperméables sont engagées.
## EVALUATION DES RESSOURCES EN EAUX SOUTERRAINES ET INFRASTRUCTURE HYDROGEOLOGIQUE DE LA FRANCE

Les inventaires de base ont été poursuivis avec orientation générale vers une technique extensive dans le cadre du département, de la région naturelle ou du bassin. Ils ont permis de prospecter, relativement en peu de temps, des surfaces importantes évaluées à 25 % du territoire. Parallèlement des inventaires intensifs (relevé systématique de tous les points d'eau et ouvrages de captage) ont couvert 48 coupures topographiques au 1/50 000.

La mise en place d'un réseau piézométrique national a été intensifiée. Des relevés systématiques, avec quelques enregistrements continus, couvrent la région parisienne, le Centre du bassin de Paris, le Nord de la France, la Picardie-Normandie et le Pays de la Loire. L'automatisation et l'optimisation des réseaux existants est en cours. La mise en mémoire et le traitement informatique des données piézométriques sont devenus opérationnels. Des annuaires sont publiés pour les principaux réseaux.

Des synthèses hydrogéologiques et des cartes hydrogéologiques à grande et moyenne échelles (1/50 000 et 1/200 000), facilitent la mise à disposition des résultats aux utilisateurs. La surface couverte est de 16 % du territoire, dont 5 % pour les cartes détaillées.

La méthodologie de l'évaluation des ressources en eaux a porté sur le perfectionnement des méthodes d'expressions cartographiques et l'établissement des cartes prototypes au 1/1 000 000 visant à aboutir à un atlas de la France. Sont actuellement réalisées les cartes suivantes : débit moyen des nappes d'eaux souterraines, coût moyen du captage de l'eau souterraine, qualité chimique des eaux souterraines et eaux minérales et thermales.

La mise au point du traitement des analyses chimiques des eaux par ordinateur a permis de stocker en mémoire et d'interpréter, très rapidement, un grand nombre de données. On obtient à la sortie directement des tableaux des rapports ioniques, des diagrammes d'analyses, etc.

Des chaînes automatiques d'acquisition de données, devenues opérationnelles, permettent de mesurer simultanément par enregistrement continu et de traiter plusieurs paramètres physiques ou chimiques (pression, succion, résistivité, température, pH, oxygène dissous, etc).

Les études régionales sur la pollution des eaux souterraines ont surtout consisté à déterminer dans quelques régions particulièrement exposées, le chimisme des nappes et les risques de pollution des réservoirs aquifères : nappe de craie dans le Nord de la France, nappe du Calcaire carbonifère et de nombreuses nappes alluviales. Ces travaux se sont traduits notamment par l'édition de nouveaux types de cartes : vulnérabilité à la pollution des nappes (1/25 000 et 1/50 000), qualité des eaux, etc.

## GESTION DES RESSOURCES EN EAUX

L'extension de la législation sur l'exploitation des eaux souterraines conduit progressivement à une gestion plus rigoureuse des ressources en eaux par des modèles permanents de gestion. Leur établissement et leur calage reposent sur la collecte et l'exploitation des données fournies par les inventaires ainsi que sur la définition des principaux systèmes aquifères. Sont actuellement opérationnels les modèles de gestion des départements du Nord et du Pas de Calais, d'autres sont en cours pour la Beauce et la Crau.
# VI - LES MODELES STOCHASTIQUES DANS LES SCIENCES HYDROLOGIQUES

## J. BERNIER

Les modèles stochastiques et les utilisations hydrologiques des méthodes statistiques récentes ont eu un assez grand développement au cours de la période 1971-1975 en France. Les faits marquants de ce développement sont :

a) sur le plan méthodologique, l'utilisation des techniques d'analyse des données multidimensionnelles à divers problèmes variés,

b) l'extension des domaines d'application des modèles de processus stochastique pour la description des paramètres de qualité des eaux.

## UTILISATION DES TECHNIQUES D'ANALYSE DES DONNEES

L'estimation et la gestion rationnelles des ressources en eau à l'échelle de grands bassins a nécessité le recours aux méthodes d'analyse statistique multidimensionnelle comme : les analyses en composantes principales, les analyses de correspondance, etc. Les applications en ont été assez fructueuses pour traiter des problèmes aussi divers que :

- la rationalisation des réseaux de mesures piézométriques (BRGM : Canceil).

- la description et l'estimation des moyennes pluviométriques spatiales (Laboratoire d'Hydrométéorologie de Montpellier et Laboratoire National d'Hydraulique : Cormary et collaborateurs, en liaison avec les Agences de Bassins),

- la critique des mesures, la détection des valeurs douteuses dans les relevés de réseaux de pluviomètres (Bureau de l'Eau de la Météorologie Nationale : Trendel, Der Megreditchian),

- la définition des caractéristiques climatiques des bassins (Agence Adour-Garonne, : Quellennec),

- le traitement de données géologiques, des paramètres de qualité des eaux souter-raines (Ecole des Mines : Laboratoire d'Hydrogéologie Mathématique de Fontainebleau, de Marcilly). Il faut noter que ce dernier laboratoire a également développé les applications hydrométéorologiques des méthodes de Krigeage mises au point par le Prof. Matheron pour le traitement des données géographiques et géologiques,

- la prévision numérique des précipitations journalières (E.D.F. - Division Technique Générale : Duband). C'est ici une utilisation originale des techniques de composantes principales à la reconnaissance dynamique de la forme des situations météorologiques en vue de la prévision quantitative des précipitations,

- la prévision des avalanches (Laboratoire de Mécanique des Fluides et l'Institut Polytechnique de Grenoble).

## MODELES STOCHASTIQUES ET QUALITE DE L'EAU

En hydrologie un des objectifs essentiels de la mise au point de modèles stochastiques, est la génération de chroniques de débits ou de précipitations fictives ou reconstituées en vue
de la gestion des systèmes de ressources en eau, à l’échelle régionale notamment. Dépassant les travaux traditionnels dans ce domaine, des efforts ont été entrepris pour la simulation des paramètres de qualité :

— la salure des eaux (avec application à la simulation d’aménagements intégrés africains, pour le Service Hydrologique de l’ORSTOM : Roche),

— la température de l’eau, naturelle ou échauffée par les circuits de refroidissement des centrales (E.D.F., département Echanges Atmosphériques et Pollution : Gras),

— les paramètres décrivant l’état biochimique des rivières : oxygène dissous, DBO (Laboratoire National d’Hydraulique : Bernier, Mme Sabaton). Ces modèles permettent notamment d’orienter la politique de collecte de l’information en matière de qualité d’eau.

## MODELES STOCHASTIQUES ET ESTIMATION QUANTITATIVE DES RESSOURCES EN EAU

On notera surtout les modèles d’étiage permettant la simulation des chroniques de débits de basses eaux sur la base de données hydrométriques ou pluviométriques (Division Hydrologie du CTGREF : Tiercelin).

Dans le domaine des crues, la Division Technique Générale d’E.D.F. (Guillot) a poursuivi l’étude de la méthode du Gradex permettant l’estimation des probabilités des crues extrêmes à partir des precipitations et a précisé les limites et conditions d’application de cette méthode.

Nous ne saurions terminer ce court panorama sans citer "les méthodes d’études régionales de ressources en eau" publiées sous forme d’Atlas par la Laboratoire National d’Hydraulique en collaboration avec l’Université des Sciences et Techniques de Montpellier sous l’égide de la DGRST. Cet ouvrage, publié au cours de notre période de référence, fait la synthèse des travaux de Cormary et son équipe, qui ont permis la mise au point de méthodologies modernes adaptées à l’étude régionale des ressources en eau avec application au bassin de l’Allier.
# VII – DYNAMIQUE DES GLACIERS TEMPERES ET PROPRIETES DE LA GLACE

## L. LLIBOUTRY

### 1 – CARTOGRAPHIE ET MESURE D'EPAISSEUR DES GLACIERS

L'inventaire des glaciers, inscrit au programme de la Décennie Hydrologique Internationale, a été exécuté par R. Vivian et des étudiants de l'Institut de Géographie de Grenoble. Il a paru sous forme de 30 fiches distinctes dans la Revue de Géographie Alpine entre 1967 et 1971.

L'Institut Géographique National a effectué tous les ans des couvertures aériennes de certains secteurs englacés des Alpes. Ces couvertures n'étant pas assez précises pour suivre les variations des langues glaciaires à l'échelle de quelques années, des couvertures spéciales de ces langues, avec préparation au sol, seront désormais exécutées par l'IGN sur commande du Centre Technique du GREF (ancien service des Eaux et Forêts, qui assure traditionnellement en France le relevé des fluctuations glaciaires). Deux restitutions de glaciers français ont été seulement exécutées récemment au 1/10 000, sur commande du Laboratoire de Glaciologie du CNRS : la langue du Glacier des Bossons (Massif du Mont-Blanc), les glaciers de Saint-Sorlin et des Quirlies (Grandes Rousses).

Le socle rocheux a été déterminé par prospection sismique pour le Glacier de Gébroulaz (Parc National de la Vanoise) par Fourno (1974) et pour le Glacier Ampère (le plus grand émissaire de la Calotte Cook, à Kerguelen) par Vallon. Mais le Laboratoire de Glaciologie a surtout utilisé les méthodes de forage destructif rapide (sondes thermiques à vapeur, à circuit ouvert d'eau chaude, électrique de faible diamètre) qu'il a mis au point (Gillet, sous presse). Ainsi ont été déterminées des épaisseurs sur cinq petits glaciers, en particulier au Glacier de Saint-Sorlin et sur ceux de Bellecôte.

### 2 – BILANS DE MASSE ET CORRELATION AVEC LES FACTEURS METEOROLOGIQUES

Des bilans glaciaires annuels ont continué à être mesurés en zone d'ablation sur le Glacier de Saint-Sorlin et sur la Mer de Glace par le Laboratoire de Glaciologie. Sur le premier une étude statistique poussée a été faite des 194 données correspondant à 16 années consécutives et 32 sites différents (une donnée pouvant être la somme de plusieurs bilans annuels) (Lliboutry, 1974). Il en ressort qu'on peut adopter un modèle statistique à 2 variables. Le bilan au site j l'année t est :

$$x_{jt} = \alpha_j + \beta_t + r_{jt}$$

où $\alpha_j$ est un paramètre dépendant du site, $\beta_t$ un paramètre centré dépendant de l'année, et $r_{jt}$ un terme aléatoire centré, résultant de 7 causes d'erreurs différentes, corrélées ou non pour des années successives. On peut admettre $r_{jt}$ gaussien, centré, d'écart type 20 cm.

En zone d'accumulation les bilans ont été mesurés 2 ans par la méthode d'Ahlmann, améliorée pour tenir compte de l'alimentation interne (Lliboutry et Echevin, sous presse).
Le modèle précédent semble être valable. On pourra donc à l'avenir déterminer les bilans de masse annuels pour l'ensemble d'un glacier en n'étudiant qu'une zone réduite et en calculant les $β_t$.

C'est aussi $β_t$ qu'il faut corréler aux paramètres météorologiques. La corrélation est excellente avec la précipitation annuelle totale et la température moyenne des mois de juin, juillet, août (Martin, sous presse)

### 3 – BILANS THERMIQUES AIR-SOL

Le bilan énergétique à la surface d'un glacier, en été, a été mesuré dans les Alpes en zone d'accumulation (De la Casinière, 1974) et en zone d'ablation (Martin, 1970).

Toujours par la méthode de Prandtl, mais avec des stations automatiques enregistrant simultanément jusqu'à 50 paramètres pendant un ou deux mois, le bilan thermique a été mesuré sur le Glacier Ampère à Kerguelen, simultanément en zone d'accumulation et en zone d'ablation. Cette étude aura été la seule faite sous ces latitudes pendant la Décennie Hydrologique Internationale (Poggi, 1973).

### 4 – VITESSES ET DEFORMATION DES GLACIERS

Le laboratoire de Glaciologie a mesuré des vitesses annuelles superficielles, plusieurs années consécutives, sur les Glaciers Blanc, de Saint-Sorlin, du Tacul, de la Mer de Glace, et Ampère à Kerguelen. Une première étude a permis de mettre au point le dépouillement en interpolant les valeurs ponctuelles par fonction spline à deux variables (Benoist, 1973). Les autres dépouillements sont en cours.

Mais on étudie également la déformation interne, par inclinométrie répétée le long d'un trou de forage, et mesure de la contraction verticale avec des témoins métalliques que repère un détecteur de proximité. Au lieu de tuber le trou pour le conserver, on laisse un câble en place et une sonde spéciale refore le long de ce câble.

Sans attendre la mise au point de cet appareillage nouveau, Reynaud (1973 b) a dépouillé les résultats de Reymond, sur un glacier du Canada, en adoptant comme condition à la limite inférieure la loi de friction solide (de Coulomb) que nous avons défendue pour les glaciers à vitesse rapide. Il peut ainsi retrouver la distribution des vitesses mesurées. Par contre une meilleure détermination des vitesses en un lieu (Séracs du Géant) où la vitesse atteint (en haut de la chute) 1000 m/an, lui fait nuancer les conclusions antérieures favorables à cette loi. Cette loi n'est plus valable dans le détail, en un lieu aussi bouleversé (Reynaud, 1973 a).

De même seront assez difficiles à interpréter les très intéressantes observations faites sous le Glacier d'Argentières, en un lieu accessible par des galeries creusées dans le rocher (Vivian et Bocquet, 1973).

### 5 – TEXTURES, TENEURS EN EAU, TEMPERATURES

Le Laboratoire de Glaciologie a exécuté le premier carottage d'un glacier tempéré, en zone d'accumulation et près de sa naissance, jusqu'au socle rocheux (187 m). La teneur en eau liquide a été mesurée au fur et à mesure de l'extraction des carottes (0,2 % à 1,8 %), puis la pétrographie et l'orientation des axes optiques. La texture caractéristique des glaciers (axes optiques groupés selon 4 maximums) se forme très rapidement (Vallon, Petit et Fabre, sous presse).
On a ainsi découvert que le névé se transformait en glace à une profondeur fixe (34 m en ce lieu) seulement entre le 15 juillet et le 30 août, à l'époque où il existe une importante couche aquifère à la base du névé, sur la glace imperméable. Que la saturation par de l'eau liquide accélère énormément la transformation de névé fondant en glace a été confirmé par des expériences de laboratoire (De la Casinière et Heyraud, sous presse).

A l'occasion de prélèvements pour études géochimiques, les températures au sein des glaciers à très haute altitude dans le Massif du Mont-Blanc ont été mesurées. A 4 785 m, elle est de -20,2° C. A l'Observatoire Vallot (4 360 m), elle est à 15 m de profondeur -10,8° C, alors que Vallot avait mesuré -12,8° C en 1911. (Le climat en haute altitude s'est réchauffé de 2,0°,C entre 1911 et 1973). Au Mont-Blanc les glaciers sont froids au-dessus de 3 700 m environ.

# 6 - FLUAGE DE LA GLACE POLYCRISTALLINE EN LABORATOIRE

Ces études ont été développées au Laboratoire de Glaciologie dans le cadre d'une "Action Thématique Programmée" du CNRS. Outre le premier simulateur de glaciers, Pénélope, (Brepson, 1974), un deuxième a été commandé. Reconstituant des conditions existant à la base des glaciers, ils permettent de vérifier les calculs approchés faits dans la théorie du glissement des glaciers. Ils permettent aussi d'étudier quantitativement l'abrasion glaciaire, la formation d'une moraine de fond et son influence sur le glissement.

Par ailleurs de longues et méticuleuses expériences de Duval (sous presse) lui ont permis de démêler et établir les lois correctes du fluage de la glace. Pour des cissions efficaces comprises entre 0,5 et 3,5 bar la vitesse de fluage secondaire, ou la vitesse de fluage tertiaire moyenne (car elle peut osciller au cours du temps), varient exactement comme le cube de la contrainte, contrairement à ce qu'avaient annoncé de nombreux auteurs. Dans des déformations en cisaillement simple, se forme une texture à deux maximums déjà signalée ; c'est la plus favorable à la déformation. Mais si l'on superpose au cisaillement simple une compression uniaxiale, créant ainsi un état de contraintes où les trois contraintes principales sont inégales et où il n'y a plus de plan de cisaillement maximum permanent, la texture à 4 maximums caractéristiques des glaciers apparaît. Elle n'avait jamas été obtenue précédemment en laboratoire (sauf par Brepson, avec Pénélope). Avec cette texture la glace se déforme quatre fois moins vite. Pourtant cette texture est très stable et un cisaillement simple ne peut pas la détruire.

Ces expériences ont pu être poursuivies jusqu'au point de fusion, lequel n'est pas bien défini par suite de la présence d'impuretés salines (Lliboutry, 1971). Duval a montré alors l'influence de la teneur en eau. Lorsqu'elle passe de 0,2 à 2%, la vitesse de fluage à contrainte donnée augmente d'au moins 50%.

# 7 - PHYSIQUE DE LA GLACE

Au Service des Basses Températures du Centre d'Etude Nucléaires à Grenoble, Klinger (sous presse) a mesuré la conductibilité thermique de la glace jusqu'à 1,7° K. Il a trouvé qu'en dessous de 16° K cette conductibilité était très sensible aux imperfections du réseau cristallin, et constitue donc un excellent test de la perfection des monocristaux.

A l'Institut National des Sciences Appliquées de Lyon, Vassoille, Tatibouet, Pérez et Gobin (1974) ont mis au point une méthode de mesure du frottement intérieur à basse fréquence de la glace. Elle leur a permis de découvrir un pic d'absorption lié au mouvement des joints de grains et d'étudier le rôle des dislocations dans cette absorption.

Ils ont également fait ces études aux fréquences ultrasonores (Tatibouet et al., sous presse). Par ailleurs ces auteurs ont construit une nouvelle théorie pour expliquer la loi de
fluage de la glace, dans laquelle ce serait la vitesse de déplacement des dislocations qui contrôlerait le fluage et non pas la vitesse à laquelle elles échappent aux empilements (Pérez et al., sous presse). Ce travail est actuellement complété par des observations de dislocations en topographie X.

## 8 – ENSEIGNEMENT DE LA GLACIOLOGIE

A l'Université de Grenoble la Glaciologie est régulièrement enseignée au sein des études de Géophysique. Parmi les nombreuses publications didactiques ou de vulgarisation, signalons Lliboutry 1971 b, 1974.

BENOIST, J.P. – Déformation d'un langue glaciaire. *Thèse de 3ᵉ cycle*, Grenoble, 69 p., 1973.

BREPSON, R. – Contribution à l'étudé des lois de glissement des glaciers tempérés à l'aide d'un viscosimètre à glace. *Rheologica Acta*, 13, 408-412, 1974.

de la CASINIERE, A.C. – Heat exchange over a melting snow surface. *J. of Glaciology*, 13, 55-72, 1974.

de la CASINIERE, A.C. et HEYRAUD, M. – Water permeability and compactive viscosity of temperate firn. *J. of Glaciology* (sous presse).

DUVAL P. – Creep and fabrics of temperate polycrystalline ice under shear and compression. *J. of Glaciology* (sous presse).

FOURNO, J.P. – Détermination de l'épaisseur du Glacier de Gébroulaz par prospection sismique. *Cahiers du Parc de la Vanoise*, 5.

GILLET, F. – Steam, hot-water and electrical drills for temperate glaciers. *J. of Glaciology* (sous presse).

KLINGER, J. – Low temperature heat conduction in pure, monocrystalline ice. *J. of Glaciology* (sous presse).

LLIBOUTRY, L. – Permeability, brine content and temperature of temperate ice. *J. of Glaciology*, 10, 15-29, 1971 a.

LLIBOUTRY, L. – Glacier theory. Dans *"Advances in Hydroscience"* (Ven Te Chow Editeur), 7, 81-167, 1971 b.

LLIBOUTRY, L. – (cours sur les glaciers). Dans *'Hidrologia de nieves y hielos en America Latina'* (Oficina de ciencias de la UNESCO para America Latina, Montevideo), 65-105, 1973.

LLIBOUTRY, L. – Multivariate statistical analysis of glacier annual balances. *J. of Glaciology*, 13, 371-392, 1974.

LLIBOUTRY, L. et ECHEVIN M. – Mesure des bilans annuels en zone d'accumulation. Z. für Gletscherkunde u. Glazialgeologie (sous presse).

MARTIN, S. – Bilan thermique du Glacier de Saint-Sorlin, Eté 1969. *Thèse de 3ᵉ cycle*, Grenoble, 48 p. + carte, 1970. (sous presse au *J. of Glaciology*).

MARTIN, S. – Corrélation bilans de masse annuels – facteurs météorologiques dans les Grandes Rousses. Z. für Gletscherkunde u. Glazialgeologie (sous presse).

PEREZ, J., TATIBOUET, J. VASSOILLE R. et GOBIN, P.F. – Comportement dynamique des dislocations dans la glace. *Philosophical Magazine* (sous presse).

POGGI A. – Bilan thermique du Glacier Ampère à Kerguelen, étude préliminaire. *Le rôle de la neige et de la glace en hydrologie – Actes des colloques de Banff, sept. 1972*, (UNESCO – OMM – AIHS) Vol. 1, 187-200, 1973.

REYNAUD, L. – Etude de la dynamique des Séracs du Géant (Massif du Mont-Blanc). *Thèse de 3ᵉ cycle*, Grenoble, 54 p. 1973 a.

REYNAUD, L. – Flow of valley glacier with a solid friction law. *J. of Glaciology*, 12, 251-258, 1973 b.

TATIBOUET, J., VASSOILLE, R., PEREZ, P. et GOBIN, P.F. – Influence de la déformation plastique sur les propriétés ultrasonores de la glace Ih. *Journal de Physique*, 36, 69, 1975.

VALLON, M., PETIT J.R. et FABRE, B. – Study of an ice core to the bedrock from an alpine glacier. *J. of Glaciology* (sous presse).

VASSOILLE, R., TATIBOUET, J., PEREZ, J. et GOBIN, P.F. – Comportement anélastique de la glace aux faibles fréquences de sollicitation. *Comptes-Rendus Ac. Sci.*, 278 (B), 409, 1974.

VIVIAN, R. et BOCQUET, G. – Subglacial cavitation phenomena under the glacier d’Argentière, Mont-Blanc, France. *J. of Glaciology*, 12, 439-452, 1973.
# VIII – GLACIOLOGIE DES REGIONS POLAIRES

## R. DELMAS

### 1 – MISSIONS SUR LE TERRAIN

#### 1.1 – Antarctique

Avec le soutien logistique des Expéditions Polaires Françaises et dans le cadre du Programme International de Glaciologie Antarctique (P.I.G.A.), les Terres Australes et Antarctiques Françaises (T.A.A.F.) avaient inscrit dans le 6ᵉ Plan les crédits nécessaires à une exploration de l'intérieur de l'Antarctique selon l'axe joignant les bases antarctiques Dumont d'Urville et Vostok (1 650 km).

Le Laboratoire de Glaciologie de Grenoble a fourni l'ossature de l'équipe qui a pu réaliser la première étape (800 km) de ce raid durant l'été austral 1971-72. Un an plus tard, une deuxième équipe, partie pour rejoindre Vostok, ne put atteindre son objectif en raison d'avaries de véhicules. Cependant, au cours de ces deux opérations successives, une moisson très importante d'échantillons de neige et de névé a pu être réalisée. Des carottages superficiels (30 m de profondeur au maximum) et différentes mesures de surface ont été effectués. Certains échantillons ont été ou seront analysés à Grenoble, d'autres seront étudiés dans différents laboratoires français regroupés au sein de la RCP (Recherche Coopérative sur Programme) ayant pour thème : "l'étude physicochimique et isotopique des calottes glaciaires".

En Antarctique également, mais en un point fixe situé non loin de la base Dumont d'Urville en Terre Adélie, un forage profond de 304 m a pu être mené à bien à l'aide du carottier thermique conçu et réalisé au Laboratoire de Glaciologie de Grenoble (été austral 1973-74). Ce forage réussi avait été précédé d'un forage probatoire deux ans plus tôt au même endroit.

#### 1.2 – Groenland

Dans le cadre de l'EGIG (Expéditions Glaciologiques Internationales au Groenland) et avec le soutien logistique des E.P.F. et de la N.S.F. américaine, un raid léger a été effectué en juillet-août 1974 au Groenland. Le but de cette expédition était la lecture et le rehaussement des balises suivant l'axe EGIG tracé en 1959. Le parcours total a été d'environ 1000 km. Un programme scientifique complémentaire de géochimie a pu être mené a bien (7 sites de prélèvement de surface et 3 carottages de 15 m de profondeur).

### 2 – BILAN SCIENTIFIQUE

– Détermination des taux d'accumulation de neige. Ce paramètre est déterminé par les différentes méthodes physicochimiques suivantes : radioactivité β globale, tritium artificiel ou naturel, Pb 210 et rapports isotopique D/H ou O¹⁸/O¹⁶.

Les résultats parus concernent plusieurs stations du Groenland (L. MERLIVAT et al. 1973) ou de l'Antarctique (A. VINOGRADOV et C. LORIUS, 1972).
— La circulation et les échanges atmosphériques dans ces régions ont pu être étudiés grâce aux retombées radioactives naturelles ou artificielles de la neige. Au Groenland, les fluctuations de la teneur en tritium (L. MERLIVAT et al., 1973) indiquent que le réservoir stratosphérique se vide avec une période de 1,2 ans.

Des résultats concernant le continent antarctique (G. LAMBERT, B. ARDOUIN et al, 1971) ont été extrapolés à l'ensemble de l'hémisphère Sud (G. LAMBERT et al., 1972). Les retombées du Pb 210 sont corréliées avec les fluctuations du champ magnétique terrestre (G. LAMBERT, J.C. LE RULLEY et al, 1971) et avec l'activité solaire (G. LAMBERT, J. SANAK et al., 1971).

— La chimie de la basse atmosphère peut être étudiée par les impuretés qui se déposent dans les couches de neige des calottes polaires.

Les échantillons antarctiques déjà analysés indiquent que les apports marins et continentaux sont du même ordre de grandeur, alors que la matière terrestre ne représenterait qu'environ 1 % de ces deux quantités (C. BOUTRON et al., 1972). Un excès de chlore par rapport au sodium est attribué à un apport de chlore gazeux (M. BRIAT et al., 1974). La méthodologie et les techniques concernant ce type de mesures ont été plus spécialement étudiées (C. BOUTRON, 1972).

— L'intérêt paléoclimatologique des études menées sur les calottes polaires est apparu clairement au cours des études faites par D. RAYNAUD sur la mesure des volumes globaux des gaz occlus dans la glace (D. RAYNAUD et C. LORIUS, 1974). Ce paramètre a permis de corriger les hypothèses relatives à l'amplitude de la dernière glaciation établies par la mesure des rapports isotopiques D/H ou O¹⁸/¹⁶. Une variation importante (de l'ordre de 1000 m) de l'épaisseur de la calotte glaciaire du Groenland est proposée (D. RAYNAUD et C. LORIUS, 1973) pour les derniers 10 000 ans.

— La datation des couches profondes de glace, pour les âges compris entre 100 et 1500 ans est possible grâce au silicium 32 (R. SAGNOL, 1972).

BOUTRON C. — Concentration of dilute solutions at ppb level by non-boiling evaporation in quartz and teflon. *Analyt. Chim. Acta*. 61, 140-143, 1972.

BOUTRON C., ECHEVIN M. et LORIUS C. — Chemistry of polar snows. Estimation of rates of deposition in Antarctica. *Geochim. Cosmochim. Acta*. 36, 1029-1041, 1972.

BRIAT M., BOUTRON C. et LORIUS C. — Chlorine and sodium content of East Antarctica firn samples. *International Symposium on sea air chemistry*, Nice, 4-10 October 1973. Paru dans *Journal de Recherches Atmosphériques*, n° spécial, juillet-décembre 1974.

LAMBERT G., ARDOUIN B., BRICHET E. et LORIUS C. — Balance of Sr90ober Antarctica : existence of a protected area. *Earth and Planetary Sc. Letters*, 11, 317-323, 1971.

LAMBERT G., LE ROULLEY J.C. et SANAK J. — Corrélations entre le dépôt de plomb 210 dans l'Antarctique et les fluctuations du champ magnétique terrestre. *C.R. Acad. Sc.*, *Paris*, 272, série B, 177, 1971.

LAMBERT G. SANAK J et ARDOUIN B. — Corrélations entre la concentration atmosphérique du plomb 210 en Terre Adélie et l'activité solaire. *C.R. Acad. Sc.*, *Paris*, 272, série B, 497, 1971.

LAMBERT G., ARDOUIN B., POLIAN G., et SANAK J. — Natural radioactivity balance in the atmosphere of the southern atmosphere. *2nd International Conference on Natural Environmental Radioactivity*, Houston, August 1972.

MERLIVAT L., RAVOIRE J., VERGNAUD J.P. et LORIUS C. — Tritium and deuterium content of the snow in Greenland. *Earth and Planetary Sc. Letters*, 19, 235-240, 1973.

RAYNAUD D. et LORIUS C. — Climatic implications of total gas content in ice at Camp Century. *Nature*, 243, 283-284, 1973.

RAYNAUD D. et LORIUS C. — Isotopic implications of total gas content in ice at Camp Century (Greenland). Dans : "Les méthodes quantitatives d'étude des variations du climat au cours du Pléistocène". *Colloque International du CNRS n° 219, 289-293, 1974.*

SAGNOL R. — Ensemble de comptage pour l'analyse du Si 32 dans la glace. *Thèse de 3e cycle*, Grenoble, 51, p. 1972.

VINOGRADOV A. et LORIUS C., — Snow accumulation along the Mirny-Vostok profile (Antarctic). *Bull. Exp. Ant. Soviétique*, 83, 5-11 (en russe), 1972.
# SECTION VII

## SCIENCES PHYSIQUES DE L'OCÉAN
TABLE DES MATIERES

<table><thead><tr><th></th><th>Pages</th></tr></thead><tbody><tr><td>I – Transferts et échanges d'énergie à travers la surface marine<br>M. COANTIC, A. IVANOFF, J. LENOBLE</td><td>195 3</td></tr><tr><td>II – Mouvements transitoires et variabilité des caractères marins à échelle moyenne<br>J. GONELLA, M. CREPON, A. CAVANIE</td><td>200 8</td></tr><tr><td>III – Formation et comportement des eaux profondes en Méditerranée<br>H. LACOMBE</td><td>203 11</td></tr><tr><td>IV – Etudes théoriques sur la dynamique des mers<br>B. SAINT-GUILY</td><td>206 14</td></tr><tr><td>V – Optique océanographique<br>A. IVANOFF et A. MOREL</td><td>208 16</td></tr><tr><td>VI – Etudes sur les propriétés physiques et sur l'équation d'état de l'eau de mer<br>G. GIRARD, M. MEVACHE, A. POISSON</td><td>211 19</td></tr><tr><td>VII – Chimie Océanographique<br>A. IVANOFF, A. MOREL, F. VARLET</td><td>214 22</td></tr><tr><td>VIII – La géochimie des océans<br>R. CHESSELET et C. LALOU</td><td>218 26</td></tr><tr><td>IX – Régime des côtes<br>R. BONNEFILLE</td><td>222 30</td></tr><tr><td>X – Production primaire et distribution des sels nutritifs dans les zones d'upwelling<br>B. COSTE, J. GOSTAN, A.J. MINAS, J.M. PERES</td><td>224 32</td></tr><tr><td>XI – Récifs coralliens<br>A. GUILCHER</td><td>229 37</td></tr></tbody></table>
# I – TRANSFERTS ET ECHANGES D'ENERGIES A TRAVERS LA SURFACE MARINE

M. COANTIC

Institut de Mécanique Statistique de la Turbulence, Marseille

A. IVANOFF

Laboratoire d'Océanographie Physique de l'Université, Paris VI

J. LENOBLE

Laboratoire d'Optique Atmosphérique, Lille.

Les recherches poursuivies dans ces domaines ont principalement porté sur : les échanges turbulents de masse, de quantité de mouvement et d'énergie (travaux de l'Institut de Mécanique Statistique de la Turbulence à Marseille) ; le cycle annuel des échanges thermiques en Méditerranée (travaux du Laboratoire d'Océanographie Physique de l'Université Paris VI) ; les échanges radiatifs d'énergie à l'interface air-mer (travaux du Laboratoire d'Optique Atmosphérique à Lille) (*).

## A – TRANSFERTS TURBULENTS DE MASSE, DE QUANTITE DE MOUVEMENT ET D'ENERGIE

L'objectif général des recherches poursuivies à l'I.M.S.T. est l'étude des principaux mécanismes physiques à petite échelle qui opèrent les échanges entre l'océan et l'atmosphère, au voisinage de la surface marine. On s'intéresse plus particulièrement aux processus de transfert turbulent responsables des échanges d'énergie cinétique et de la génération des vagues et des courants, des échanges de chaleur sensible (en conjonction avec le rayonnement), et des échanges de vapeur d'eau et de chaleur latente par évaporation. Les recherches expérimentales sont effectuées dans une soufflerie de grandes dimensions permettant une simulation partielle en laboratoire des phénomènes naturels. Elles se poursuivent en liaison avec celles du Laboratoire d'Océanographie Physique du Muséum et de divers groupes scientifiques qui participent à l'exploitation des installations de l'I.M.S.T.

### 1 – Résultats d'ordre théorique

L'étude des mécanismes physiques des échanges air-mer met en évidence le rôle fondamental de la turbulence, notamment dans le frottement et l'évaporation (4, 5, 8, 9, 11). L'étude des équations gouvernant la turbulence dans la basse atmosphère marine montre l'influence distincte des contaminants non-passifs (1, 5, 8, 10) et l'interaction entre les transferts de chaleur par turbulence et par rayonnement (8, 30). A partir des équations générales de la turbulence océanique (6), un modelage numérique d'une thermocline convective a été entrepris (16). Divers aspects de la théorie de la génération des vagues par le vent ont été examinés (23, 24, 25, 27).

### 2 – Réalisation d'équipements scientifiques

La grande soufflerie de l'I.M.S.T. permet la simulation partielle, dans une veine d'expérience de 40 mètres, des mécanismes à petite échelle des échanges air-mer. Elle

<footnote>(*) Voir également l'article "Optique Océanographique" par A. IVANOFF et A. MOREL.</footnote>
combine un tunnel micrométéorologique avec un canal à vagues, diverses dispositions permettant la mise en jeu des transferts scalaires, la simulation des effets du rayonnement, et le contrôle du développement des vagues (3, 12, 13, 15, 25). Un système numérique permet le contrôle de l'installation, l'automatisation des mesures, l'acquisition et le prétraitement des données (12, 21). Ces équipements, une soufflerie maquette, les installations et appareillages de mesure associés, sont regroupés dans un nouveau laboratoire construit par l'I.M.S.T. et exploité à l'échelle internationale.

### 3 - Mise au point d'instruments et de méthodes de mesure

Les recherches concernent : l'anémothermométrie par fils et films chauds des écoulements mono et diphasiques (21, 28, 29) ; la mesure des valeurs moyennes et des fluctuations de l'humidité (1, 2, 14, 15, 19) ; la mesure des vagues (22, 23, 25, 26) ; l'acquisition et le traitement statistique des données relatives à la turbulence par des méthodes numériques (14, 15, 21, 28, 29).

### 4 - Résultats scientifiques expérimentaux

Le mécanisme de la génération des vagues a été étudié à partir des caractéristiques de l'interface et de la liaison entre cette dernière et l'écoulement adjacent (15, 22, 23, 24, 25, 26, 27). Les taux d'échange de chaleur et d'évaporation ont été déterminés par des méthodes classiques (11, 13, 15, 17) et par un procédé original basé sur des mesures isotopiques (18, 19, 20). Une étude de la sous-couche visqueuse au contact de l'eau a été amorcée (15). La structure de la turbulence a été explorée au voisinage d'une interface en évaporation, dans des situations de stratification stable ou critique (1, 2, 14, 15). Les caractéristiques locales de la turbulence à grand nombre de Reynolds ont été étudiées (14, 15, 21). Le mécanisme du déferlement a été examiné dans le cas du ressaut hydraulique (28, 29).

(1) BOLGIANO R., WARHAFT Z. — Preliminary observations of the evaporation duct in the I.M.S.T. air-sea wind tunnel. Communication N.A.T.O. A.S.I. in "Modern topics in wave propagation above 10 Ghz, especially those associated with air-sea interaction". Sorrente, Italie. Proceedings, p. 37-50, D. Reidel, Dordrecht, juin 1973.

(2) BOLGIANO R., WARHAFT Z., COANTIC M. — Laboratory Investigation of Refractive Index Structure in the Maritime Boundary Layer. Communication 1974 USNC. URSI — IEEE Meeting, Boulder, Oct. 1974.

(3) BONMARIN P. — La grande soufflerie de simulation des interactions océan-atmosphère de l'I.M.S.T. Communication Colloque "Euromech 50," Berlin, Sep. 1974.

(4) COANTIC M. — L'interaction Océan-Atmosphère. Ses mécanismes physiques et les problèmes de leur mesure. Conférence. Colloque ASTEO sur "Les mesures en environnement marin". Paris, Oct. 1971.

(5) COANTIC M. — Turbulence en Géophysique et Echanges Air-Mer. 8 conférences, Ecole Nationale Supérieure de Techniques Avancées, nov. 1971 (à paraître dans la collection des Cours de l'E.N.S.T.A.).

(6) COANTIC M. — Quelques commentaires sur les équations générales de la Turbulence Océanique. Communication 4ᵉ Colloque Hydrodynamique de l'Océan. Université de Liège, mars 1972. *Journal de Mécanique*, vol. 12, n° 2, p. 197-223, juin 1973.

(7) COANTIC M. — Une méthode d'identification d'un événement caractéristique dans un signal. *Rapport interne I.M.S.T.*, oct. 1972.

(8) COANTIC M. — Une revue des processus physiques des interactions océan-atmosphère. Communication N.A.T.O. A.S.I. in "Modern Topics in wave propagation above 10 Ghz especially those associated with air-sea interaction". Sorrente, Italie, Proceedings, p. 9-21. D. Reidel, Dordrecht, juin 1973.

(9) COANTIC M. — Les champs moyens et turbulents de vitesse, de température et d'humidité dans la basse atmosphère au-dessus de la mer. Communication N.A.T.O. A.S.I., Sorrente, Italie, juin 1973.

(10) COANTIC M. — Généralités sur les transferts turbulents dans un gradient thermique vertical. Communication Session Comité Technique S.H.F. in "Perturbation des écoulements fluides par des gradients de température". Mars 1974- (à paraître dans "La houille Blanche").

(11) COANTIC M. — Formules empiriques d'évaporation. *Rapport interne I.M.S.T.*, juin 1974.

(12) COANTIC M., BONMARIN P. — The air-sea interaction simulating facility at the Institut de Mécanique Statistique de la Turbulence. Juillet 1974 — (à paraître dans "Atmospheric Technology" et, en version française, dans "Met-Mar").

(13) COANTIC M., FAVRE A. — Activities in, and preliminary results of, air-sea interactions research at I.M.S.T. Communication 2nd IUTAM. IUGG Symposium on Turbulent Diffusion in Environmental Pollution, Charlottesville, Virginia, U.S.A. Avril 1973. *Advances in Geophysics*, vol. 18, p. 391-405, 1974.
(14) COANTIC M., MESTAYER P., BOLGIANO R., WARHAFT Z. — Structure de la Turbulence aux valeurs élevées des nombres de Reynolds et de Richardson lors de la simulation des échanges air-mer. Communication Colloque Euromech 35, "Echanges à l'interface air-mer", Marseille, sep. 1974.

(15) COANTIC M., RAMAMONJIARISOA A., EZRATY R., PERI G., MESTAYER P., BONMARIN P. — Turbulent convection of momentum, heat and moisture in a simulation maritime surface layer. Communication First IAPSO/IAMAP Special Assembly, Melbourne, Australie, janvier 1974.

(16) LUMLEY J., SIESS J. — Computational modeling of a convection-driven thermocline. Communication Colloque Euromech 51, Cambridge, juin 1974.

(17) MARMOTTANT B. — Contribution à l'étude de l'évaporation dans une couche limite turbulente d'interface air-mer. Thèse Docteur-Ingénieur, Marseille, mars 1974.

(18) MERLIVAT L., COANTIC M. — A wind-tunnel study of evaporation by isotopic techniques. Communication 35th Annual Meeting American Geophysical Union. Washington D.C., avril 1972. Abstract, *Transactions A.G.U.*, 53, 411, 1972.

(19) MERLIVAT L., COANTIC M. — Study of mass transfer at the air-water interface by an isotopic method. (Submitted for publication to Journal of Geophysical Research, juin 1974).

(20) MERLIVAT L., COANTIC M. — Etude des transferts de masse à l'interface air-eau par une méthode isotopique. Communication Colloque Euromech 35, "Echanges à l'interface air-mer", Marseille, sep. 1974.

(21) MESTAYER P. — Etude de certaines caractéristiques statistiques locales d'une couche limite turbulente à grand nombre de Reynolds. Thèse Docteur-Ingénieur, Marseille, décembre 1974.

(22) RAMAMONJIARISOA A. — Mesures en soufflerie de certaines propriétés statistiques de vagues de vent, février 1971. *Cahiers Océanographiques*, vol. 23, n° 12 p. 957-979, décembre 1971.

(23) RAMAMONJIARISOA A. — Sur l'évolution des spectres d'énergie des vagues de vent à fetchs courts. Communication 5ᵉ Colloque sur l'Hydrodynamique des Océans, Université de Liège, avril 1973. Mémoires Société Royale des Sciences de Liège, 6ᵉ série, *Tome VI*, p. 47-66, 1973.

(24) RAMAMONJIARISOA A. — Sur la prévision des caractéristiques de l'onde dominante d'un champ de vagues de vent. Communication Sixième Colloque A.S.T.E.O., Paris, Compte rendu, Thème I, février 1974.

(25) RAMAMONJIARISOA A. — Contribution à l'étude de la structure statistique et des mécanismes de génération des vagues de vent. Thèse Doctorat ès-Sciences, Université de Provence, mai 1974.

(26) RAMAMONJIARISOA A. — Etude en soufflerie de la structure statistique des vagues de vent et de l'écoulement d'air dans leur voisinage. Communication Colloque Euromech 35, "Echanges à l'interface air-mer", Marseille, sept. 1974.

(27) RAMAMONJIARISOA A. — Note sur la prévision, par des méthodes semi-empiriques, des spectres d'énergie des vagues de vent. Rapport interne I.M.S.T., oct. 1974.

(28) RESCH F. — Etude expérimentale de la turbulence dans les écoulements hydrauliques. Thèse de Doctorat ès-Sciences, Université de Provence, oct. 1974.

(29) RESCH F., LEUTHEUSSER H.J., COANTIC M. — Etude de la structure cinématique et dynamique du ressaut hydraulique. (Soumis prochainement pour publication).

(30) SEGUIN B. — Etude théorique de l'interaction entre le transfert radiatif et les échanges turbulents dans les basses couches de l'atmosphère. Thèse Docteur-Ingénieur, Marseille, juin 1971.

## B - BILAN THERMIQUE ET SON CYCLE ANNUEL EN MEDITERRANEE

Des mesures ont été entreprises entre 1967 et 1970 au large de Nice concernant l'apport solaire à la surface de la mer, l'albedo de celle-ci et l'absorption de l'énergie solaire en fonction de la profondeur. Durant la période 1971-1974 ce travail a été complété par l'exploitation de données hydrologiques et météorologiques et a permis l'établissement du bilan thermique de la Méditerranée.

Une étude (1) faite en un point proche de la côte a fait apparaître l'importance des phénomènes d'advection. On a proposé un schéma de ces phénomènes sur la radiale Nice-Calvi (2), (3) ainsi qu'une évaluation du rôle thermique de l'eau méditerranéenne intermédiaire et une description locale du cycle de la thermocline saisonnière (4). L'utilisation des données hydrologiques et météorologiques acquises à partir de Borha 1 a permis de dresser le cycle annuel des différents termes du bilan thermique (5). L'étude du détroit de Gibraltar et du canal de Sicile a fait ressortir l'importance non seulement hydrologique mais aussi thermique des flux d'eau échangés à ces seuils. Trois communications (6), (7), (8) résument nos travaux sur l'équilibre thermique méditerranéen.

Par ailleurs, un nouveau dispositif de mesure de l'évaporation a été mis au point et étalonné en mer (9). Il est actuellement testé dans les installations de l'IMST.
(1) BETHOUX J.P., IVANOFF A. — Bilan thermique du bassin Liguro-provençal. Communications non publiée au XIVᵉ Congrès UGGI, 1971.

(2) BETHOUX J.P., IVANOFF A. — Essai de bilan thermique sur la radiale Nice-Calvi. Communication au XXIIIᵉ Congrès CIESM, 1972.

(3) BETHOUX J.P., IVANOFF A. — Essai de bilan thermique et d'évaluation de l'advection sur la radiale Nice-Calvi. Bull. 10, UOF, 1972.

(4) BETHOUX J.P., IVANOFF A. — Energie solaire et thermocline saisonnière. LS 61, AGARD, 1973.

(5) BETHOUX J.P., BETHOUX N. — Contribution à l'étude des échanges thermiques en Méditerranée. Bull. 4, UOF, 1973.

(6) BETHOUX J.P., IVANOFF A. — Le bilan thermique et hydrique de la Méditerranée. Communication au XXIVᵉ Congrès CIESM, 1974.

(7) BETHOUX N., BETHOUX J.P. — Le cycle annuel du bilan thermique de la mer en divers points du bassin Liguro-Provençal. Communication au XXIVᵉ Congrès CIESM, 1974.

(8) BETHOUX N. — Evaluation du contenu thermique de la Méditerranée et de ses variations saisonnières. Thèse 3ᵉ cycle, Université Paris 6, 1975.

(9) HOUDART M. — Contribution à l'étude de quelques propriétés physiques de la surface des océans : tension superficielle, évaporation. Thèse 3ᵉ cycle, Université Paris 6, 1973.

## C – TRANSFERT D'ENERGIE RADIATIVE

Les échanges radiatifs d'énergie entre l'océan et l'atmosphère peuvent approximativement se décomposer en deux parties :

— absorption et réflexion diffuse du rayonnement solaire (0,3 µm-3 µm) par l'océan, avec échauffement des couches de surface jusque vers 1m de profondeur,

— échange de rayonnement infrarouge (3 µm-20 µm), qui correspond en général à un refroidissement superficiel de l'océan limité à une couche de l'ordre de 50 µm.

### 1 – Mesures in situ

Les échanges en infrarouge dépendant essentiellement de la température de surface de l'océan (S.S.T.), c'est à la mesure de ce paramètre qu'ont été consacrés les principaux efforts. Plusieurs campagnes effectuées sur la Bouée Laboratoire C.N.E.X.O. (2, 4, 5, 6) ont permis de mettre en évidence l'erreur de réflexion dans les mesures radiométriques de S.S.T., erreur qui peut atteindre 0,5° par temps clair, et un radiomètre polarisant permettant de réduire cette erreur à 0,1° maximum a été réalisé (8, 10, 11, 12). Des mesures aériennes de la S.S.T. ont été également effectuées par la même méthode (1, 2, 7, 8), mais le problème de l'absorption atmosphérique reste à étudier pour les vols à haute altitude, ainsi que pour l'étude des données de satellites (3).

### 2 – Etudes en laboratoire

Les mesures précises de S.S.T. effectuées sur la Bouée-Laboratoire du C.N.E.X.O. ont montré l'existence d'un refroidissement superficiel ΔT qui a été étudié d'une part dans une cuve en fonction du flux perdu par l'eau en l'absence du vent (9), d'autre part dans la soufflerie de l'1.M.S.T. de Marseille en fonction de la vitesse du vent (10). Ces études, qui sont à approfondir, ont confirmé les résultats obtenus sur la Bouée ; le refroidissement disparaît pratiquement à partir d'une vitesse de vent de l'ordre de 15 noeuds.

### 3 – Etudes théoriques (13)

Le bilan du flux infrarouge et du flux solaire par temps clair, à la surface ainsi que dans la couche superficielle, a été calculé pour diverses températures et diverses conditions météorologiques et géographiques.

Le bilan des flux permet d'expliquer l'existence du refroidissement superficiel observé expérimentalement en supposant l'existence en surface d'une couche d'eau non turbulente ayant une épaisseur de l'ordre du millimètre.
(1) DESCHAMPS P.Y. - Levé infrarouge de la température de la mer autour de l'Ile de la Réunion. *Met. Mar., Météorologie Nationale*, n° 71, p. 37-38, 1971.

(2) DESCHAMPS P.Y., FUSEY F.X., LECOMTE P., VANHOUTTE J.C. - La mesure de température de surface de la mer par radiométrie infrarouge et les problèmes qui y sont liés. Colloque International C.N.E.S. "Les Satellites Météorologiques", Paris, 21-24 mai 1973, p. 243-257.

(3), DESCHAMPS P.Y., FUZEY F.X., LECOMTE P., VANHOUTTE J.C. - La télédétection par satellites appliquée à l'océanologie. *Atti. del XIV Convegno Internazionale sullo Spazio*, Roma, 18-20 mars 1974, p. 137-139.

(4) DESCHAMPS P.Y., LECOMTE P., VANHOUTTE J.C. - Mesures radiométriques de la température de surface de l'océan sur la Bouée-Laboratoire. Campagne franco-soviétique COFRASOV. *Recueil des Travaux-Laboratoire d'Hydrophysique Marine, Acad. Sc. Ukraine*, Sébastopol, (en russe), p. 110-117, 1972, et Publications du C.N.E.X.O., Série Résultats des Campagnes à la mer, n° 4, p. 129-140, 1972.

(5) DESCHAMPS P.Y., LECOMPTE P., VANHOUTTE J.C. - Interprétation des mesures de température de la mer par radiométrie infrarouge. Proc. of AGARD Conf. on "Propagation Limitations in Remote Sensing", Colorado Springs, AGARD, CP 90-71, 9p, 1971.

(6) DESCHAMPS P.Y., LECOMTE P., VANHOUTTE J.C. - Mesure radiométrique de la température de surface de l'océan. Etude du refroidissement superficiel. Labo Océan. Phys. Paris, Labo. Opt. Atmos. Lille, 134 p. 1972.

(7) DESCHAMPS P.Y., LECOMTE P., VANHOUTTE J.C. - Applications de la radiométrie infrarouge. *Met. Mar., Météorologie Nationale*, n° 75, p. 25-27, 1972.

(8) DESCHAMPS P.Y., LECOMTE P., VANHOUTTE J.C. - Améliorations apportées aux techniques de mesure de la température de surface de la mer par radiométrie infrarouge et applications aux levés aériens de température. *Inter Océan* 73, Dusseldorf, vol. 2, p. 871-884, 14-16 nov 1973.

(9) FUSEY F.X. - Contribution à l'étude du refroidissement superficiel de l'eau et de divers hydrocarbures. Rapport DEA, Univ. Lille I, 1972.

(10) FUSEY F.X. - Contribution à l'étude des échanges océan-atmosphère: Mesure de la température de surface de l'océan par radiométrie infrarouge polarisée. Thèse de 3e cycle, Univ. Lille I, juin 1974.

(11) LECOMTE P., DESCHAMPS P.Y., VANHOUTTE J.C. - Améliorations apportées à la mesure de la température de surface de l'océan par l'utilisation d'un radiomètre infrarouge polarisant. *Appl. Optics*, vol. 12, n° 4, p. 2115-2121, 1973.

(12) LECOMPTE P., DESCHAMPS P.Y., VANHOUTTE J.C., LENOBLE J. - Mesures radiométriques de la température de surface de l'océan. Amélioration apportée par l'emploi d'un radiomètre polarisant. *Atti del XIII Convegno Internazione Sullo Spazio*, Roma, 22-24 mars 1973, p. 273-284.

(13) PRUVOST P. - Contribution à l'étude des échanges radiatifs atmosphère-océan. Calcul des flux dans la mer. Thèse de 3e cycle, Univ. Lille I, octobre 1972.
## II - MOUVEMENTS TRANSITOIRES ET VARIABILITE DES CARACTERES MARINS A ECHELLE MOYENNE

J. GONELLA, M. CREPON et A. CAVANIE

Laboratoire d'Océanographie Physique
du Muséum National d'Histoire Naturelle
43, rue Cuvier - 75231 Paris Cédex 05

### I - MESURES IN SITU

#### A) Travaux effectués au Laboratoire d'Océanographie Physique du Muséum National d'Histoire Naturelle

L'absence de Bouée-Laboratoire depuis 1970 a poussé un certain nombre de chercheurs à s'orienter vers des séjours dans des laboratoires étrangers et, plus particulièrement, à la Woods Hole Oceanographic Institution (USA).

Les études sur la variabilité et les mouvements transitoires se sont poursuivies avec une très grande quantité de données recueillies à partir de bouées dans l'Atlantique Nord-Ouest et concernant les paramètres dynamiques (vitesse et direction des courants, température, vent, etc.). Ces études ont abouti à la mise au point de nouvelles méthodes d'analyse statistique des séries vectorielles à deux dimensions. Cette technique permet de vérifier d'une part les propriétés spectrales que l'on peut prévoir sur les courants marins, d'autre part la limite de confiance de toute approximation linéaire des modèles théoriques. En particulier, dans l'étude des transferts de quantité de mouvement entre l'atmosphère et l'océan, cette méthode a fait ressortir que le maximum de cohérence, entre vent et courant superficiel dans un océan stratifié en densité, est observé dans le domaine des vitesses angulaires (—f, 0, +f, fréquence de Coriolis), où il ne peut y avoir d'ondes giratoires. En outre, cette méthode a mis en évidence la discontinuité de phase entre vent et courant à la vitesse angulaire de Coriolis (—f).

D'autres mesures recueillies pour le compte de compagnies pétrolières en mer de Norvège ont permis de mettre en évidence :

- primo : des phénomènes de battement (période proche de 4,63 jours entre courants de marée (période 12,42 h) et courants d'inertie (période 14 h) ;

- secundo : des phénomènes de marées baroclines. Dans la couche mélangée de surface, les courants de marée ont une amplitude 2 à 3 fois supérieure aux courants observés dans la couche sous-jacente.

Enfin, les mesures de courant et de température effectuées le long des côtes françaises ont révélé l'existence de phénomènes d'upwelling côtiers liés à la présence de certains vents locaux : mistral, cers et tramontane sur le littoral méditerranéen.

#### B) Travaux effectués conjointement par l'équipe d'Océanographie Physique du Centre Océanologique de Bretagne et de l'Université de Bretagne Occidentale :

Dans le cadre d'un programme d'étude du proche Atlantique qui a débuté en 1972, onze campagnes ont été exécutées par les deux équipes précitées. La zone étudiée est limitée à l'ouest par le 12ᵉ méridien, au nord et au sud par les parallèles 43° et 52° N. Ces campagnes réparties au cours de chaque année étaient destinées à préciser, à
l'échelle des saisons, quellques étaient les variations des paramètres hydrologiques des couches superficielles. La masse d'informations recueillie permet dès à présent de préciser la connaissance de l'hydrologie du proche Atlantique et de son évolution sur un cycle annuel. Elle servira de base à un essai de modélisation destiné à caractériser les variations spatio-temporelles des paramètres superficiels.

## II – ETUDES THEORIQUES

Les études théoriques entreprises dans les différents laboratoires ont eu pour objet une meilleure compréhension des relations de causalité qui lient mouvements marins et perturbations météorologiques. Les perturbations météorologiques ayant un caractère essentiellement transitoire, de nombreux chercheurs ont développé une mécanique transitoire de l'océan. Les résultats obtenus concernent essentiellement les domaines suivants :

### 1 – Ondes internes en régime transitoire

On a montré à partir d'un modèle simple d'océan à deux couches que les ondes internes de période voisine de la période de Coriolis, que l'on observe à la Bouée-Laboratoire, sont générées à la côte lors de la phase transitoire du processus d'ajustement géostrophique qui est déclenché par un coup de vent. On a étudié un modèle linéaire (CREPON, 1972) et aussi un modèle non-linéaire par la méthode des caractéristiques (AHRAN, 1973).

### 2 – Oscillations d'inertie

Plusieurs modèles de génération des oscillations d'inertie ont été construits.

#### 2.1 – Etudes locales

Une étude de la génération des oscillations d'inertie dans le cas d'un vent constant dans l'espace mais impulsionnel dans le temps avec une condition de non frottement à une certaine profondeur (cas de "mixed layer" avec une condition de frottement nul à la thermocline) montre que très vite les oscillations d'inertie à chacun des niveaux tendent à avoir un module identique et à être en phase, tandis que le courant moyen décroît en tournant avec la profondeur.

#### 2.2 – Etudes spatiales

Dans le cas d'un océan à deux couches, on montre que la réponse de la mer lorsque souffle un vent variable dans l'espace est essentiellement celle qui est due au vent local, si la dimension caractéristique de la perturbation est supérieure au rayon de déformation interne ou si on se trouve à une distance des côtes supérieure au rayon interne de déformation. Dès lors, on peut songer à bâtir un modèle prévisionnel simple vent-courant à partir des données recueillies à la Bouée-Laboratoire (CREPON et MILLOT, 1974 ; BEGIS et CREPON, 1974 ; BEGIS et CREPON, 1975).

D'autre part, la prédominance des oscillations d'inertie en été s'explique par la présence d'une forte stratification ou d'une thermocline de faible profondeur. En hiver, quand la stratification est faible et la profondeur grande, les fréquences d'inertie des ondes, qui constituent la réponse aux impulsions imposées en surface, sont modifiées par l'inclinaison de l'axe de rotation terrestre sur la verticale et par la présence de perturbations de courtes longueurs d'onde (SAINT-GUILY, 1973).
### 3 – Ondes internes périodiques

Des études très intéressantes ont été réalisées sur les ondes internes du détroit de Gibraltar. En particulier, des schémas explicatifs non-linéaires ont été trouvés pour la formation des ressauts et des oscillations secondaires (CAVANIE, 1971, 1973).

AHRAN M., 1973. — Etude non-linéaire des ondes internes dans un milieu à deux couches fluides en rotation. Rapp. scientif. techn. CNEXO, n° 17.

CAVANIE A., 1971. — Modèle non-linéaire et non-hydrostatique appliqué à l'étude des fronts internes dans le détroit de Gibraltar. *Cah. Océanogr.*, XXIII, n° 7, juillet-août 1971, pp. 611-627.

CAVANIE A., 1972. — Observations de fronts internes dans le détroit de Gibraltar pendant la campagne océanographique OTAN 1970 et interprétation des résultats par un modèle mathématique. *In :* "Third Liege Colloquium on Ocean Hydrodynamics", 3-8 mai 1971. Mémoires de la Société Royale des Sciences de Liège, 6ᵉ série, tome II, pp. 27-41.

CAVANIE A., 1973. — Etude non-linéaire des ondes internes dans un milieu à deux couches fluides sans rotation. Rapp. scient. techn. CNEXO, n° 16.

CAVANIE A. — Equations des ressauts internes dans un système à deux couches et leurs solutions. Mém. Soc. Roy. des Sc. de Liège, 6ᵉ série, tome VI, pp. 141-151, 1973.

BEGIS D. & CREPON M., 1975. — On the generation of currents by winds : an identification method to determine oceanic parameters (sous presse).

BEGIS D. & CREPON M., 1974. — Identification d'un modèle de prévision des courants marins. *In :* IIᵉ Colloque International sur l'Exploitation des Océans, Bordeaux, 1-4 oct. 1974, vol. 3.

CREPON M., 1972. — Generation of internal waves of inertia period in a two-layer ocean. *In :* "Physical variability in the North Atlantic", Proc. Symp. Dublin, 1969, *Rapp. P.-V. Cons. int. Explor. Mer*, 162, 1972, pp. 85-88.

CREPON M. & MILLOT C., 1974. — Structure horizontale des vents et des courants marins. Incidence sur un modèle prévisionnel des courants. *In :* IIᵉ Colloque International sur l'Exploitation des Océans, Bordeaux, 1-4 oct. 1974, vol. 3.

FRUCHAUD B. — Etude hydrologique et variations saisonnières dans le proche Atlantique en 1972. Contribution n° 203 du Département Scientifique du Centre Océanologique de Bretagne.

GONELLA J., 1971. — A local study of inertial oscillations in the upper layers of the ocean. *Deep-Sea Res.*, 18, pp. 776-788.

GONELLA J., 1971. — The drift current from observations made on the Bouée-Laboratoire. *Cah. Océanogr.*, 23, (1), pp. 1-15.

GONELLA J., 1971. — Sur la polarisation des courants marins par la rotation terrestre. *C.r. hebd. Séanc. Acad. Sci. Paris*, 273, pp. 162-164.

GONELLA J., 1972. — A rotary-component method for analysing meteorological and oceanographic vector time series. *Deep-Sea Res.*, 19, pp. 833-846.

GONELLA J., 1973. — Etude des courants marins de surface induits par le vent. *Ann. Hydro. 5ᵉ série*, vol. 1, fasc. 1, n° 740.

GONELLA J., 1974. — Sur la mesure du courant marin et sur son interprétation. C.R. Colloque ASTEO 74, Thème 1.

GONELLA J., 1974. — Génération des courants par le vent dans une mer stratifiée en densité. C.R. Colloque ASTEO 74, Thème 1.

GONELLA J. — Effet d'écran d'une thermocline. Observations faites sur la Bouée-Laboratoire. C.R. Sté Hydrot. de France, 1974 (à paraître dans La Houille Blanche).

LE FLOCH J., LETAREAU J.Y., TANGUY A. — Campagnes PHYGAS 31 et PHYGAS 34. Rapp. Scient. de l'U.B.O., Brest.

SAINT-GUILY B., 1972. — On the response of the ocean to impulse. *Tellus*, 24, (4), pp. 344-349.

VANGRIESHEIM A., 1974. — Contribution à l'étude des courants à la limite Mer du Nord-Mer de Norvège en été. Thèse 3ᵉ cycle, Université Paris VI, 22 nov. 1974.
# III – FORMATION ET COMPORTEMENT DES EAUX PROFONDES EN MEDITERRANEE

H. LACOMBE

Laboratoire d'Océanographie Physique
du Muséum National d'Histoire Naturelle
43, rue Cuvier - 75231 Paris Cédex 05

Le volume considérable des eaux profondes, relativement homogènes, des océans et des mers (75 % des eaux océaniques et marines), l'exiguïté extrême (quelques % de la surface des eaux) des aires où elles se forment, illustrent l'importance pour l'hydrosphère et aussi l'intensité des phénomènes hivernaux d'homogénéisation des eaux sur une couche de mélange très épaisse, à partir de la surface marine. La région de la Méditerranée du NW, située au large de la côte méridionale française, est une aire d'accès relativement facile où l'on sait que s'établissent des couches homogènes sur grande épaisseur (2000 m et plus). Des campagnes hivernales d'études s'y sont déroulées en 1972, 1973, 1974, à bord de navires du CNEXO.

Une exploitation détaillée (5) des données collectées par l'"ORIGNY" pendant la période très froide de janvier à mars 1963 a permis de déceler, dans l'évolution des caractères marins, des stades jusqu'alors inaperçus, depuis la structure usuelle à trois couches jusqu'à l'homogénéisation complète sur une grande épaisseur sur une aire qui, cette année-là, fut sans doute trois fois plus étendue qu'en 1969 (7), (10), (11). Divers aspects du phénomène en Méditerranée et ailleurs ont été présentés au cours d'un Colloque International du CNRS (voir Bibliographie du Colloque).

La poursuite systématique en 1970, 1972 à 1974 de mesures des vitesses fluides verticales par flotteurs de Woods Hole (12) a permis à J.C. GASCARD (2), (3) de bien mettre en évidence, dans les amples mouvements verticaux, d'une part, des pointes de vitesses de valeur insoupçonnée (8 à 10 cm/s pendant 2-3 heures), d'autre part, et plus habituellement, des vitesses verticales oscillatoires d'une période de plusieurs heures (3 à 10 h). S'il n'est pas encore clairement prouvé que les points de vitesse sont liées à l'établissement de vents forts, il y a une concordance remarquable entre la valeur de la période mesurée des oscillations et de la période de Brunt-Väisälä, déduite d'un traitement statistique détaillé des profils verticaux de densité potentielle obtenus au moyen d'une bathysonde : les oscillations constatées seraient donc des oscillations de stabilité. Un phénomène curieux, constaté déjà en 1969, est l'absence de corrélation entre le vent et le courant superficiel lorsque l'eau marine présente, en hiver, une stratification presqu'indifférente de densité alors que, au même endroit, en été, en présence d'une thermocline, le courant, au-dessus de celle-ci, est en corrélation étroite avec le vent. Aussi GASCARD a-t-il proposé que, en stratification presque indifférente, l'énergie cédée par le vent à la mer servirait à susciter d'amples mouvements verticaux, contrairement à ce qui se passe en été : alors, cette énergie sert surtout à engendrer des oscillations d'inertie. SAINT-GUILY (8), (9) a suggéré des explications de la réaction profonde d'un océan presqu'homogène à des effets, mécaniques ou thermiques, superficiels. La valeur élevée, 7-8 heures et au-delà, de la période de Brunt-Väisälä conduit à penser que la rotation terrestre peut, en milieu quasi-homogène, avoir une influence notable sur les oscillations de grande amplitude constatées ; celles-ci, dont la période maximale théorique en milieu tournant est de 12 heures sidérales en milieu homogène, pourraient, par la proximité des périodes de marées