Ocean-atmosphere coupling for prediction of Mediterranean heavy precipitation events : better modeling and impacts of river runoff and sea state

La Méditerranée occidentale est particulièrement touchée en automne par des événements fortement précipitants. Ces épisodes caractérisés par des vents forts en mer et de fortes pluies en peu de temps peuvent entraîner d'importantes inondations ainsi que des phénomènes de vagues-submersions. Ces travaux de thèse ont pour but de progresser vers la prévision intégrée à courte échéance de ces événements via la modélisation couplée pour une meilleure représentation des processus à l'interface air-mer. La méthodologie mise au point ici consiste à étudier l'impact d'une représentation réaliste des débits pour l'océan superficiel, puis d'examiner l'impact d'une meilleure prise en compte de l'état de mer, notamment au travers du couplage. Dans une première partie, nous avons évalué la sensibilité à différentes représentations du débit dans le modèle d'océan NEMO durant la campagne HyMeX (SOP1, automne 2012). Pour cela, deux configurations océaniques ont été utilisées, WMED (1/36°) couvrant la méditerranée occidentale et une nouvelle configuration : NWMED (1/72°) couvrant la méditerranée nord-ouest. Trois forçages de débits sont utilisés : une climatologie mensuelle ainsi que des observations journalières et horaires de débits. Les résultats ont montré localement un impact significatif sur la stratification océanique lorsque les observations de débits sont utilisées comparé à la climatologie. La salinité de surface est modifiée ainsi que la couche de mélange, plus fine, car délimitée par une halocline bien marquée. Dans la deuxième partie de la thèse, nous nous sommes intéressés à un épisode méditerranéen survenu entre le 12 et le 14 octobre 2016 dans le sud de la France. Afin d'étudier le rôle de l'état de mer dans les échanges air-mer un ensemble de simulations numériques a été fait avec le modèle atmosphérique kilométrique de Météo-France AROME - incluant la paramétrisation des flux turbulent WASP - forcé ou couplé avec le modèle de vagues WaveWatchIII. Les résultats ont montré que la prise en compte de l'état de mer avait un impact significatif sur les basses de couches de l'atmosphère en réduisant notamment la vitesse du vent de surface et en modifiant les prévisions des précipitations en mer, particulièrement leurs localisations. Dans la troisième partie de la thèse, nous avons évalué l'apport du couplage océan-atmosphère-vagues sur le cas d'étude d'octobre 2016. Afin de pouvoir identifier et quantifier les impacts du couplage, des simulations couplées océan-atmosphère-vagues ont été réalisées à l'aide du système couplé NEMO-AROME-WaveWatchIII et comparées aux simulations couplées atmosphère-vagues et océan-atmosphère. Les résultats montrent d'abord une sensibilité de la prévision aux couplages, et que le couplage interactif avec l'océan conduit à des modifications dans l'alimentation en chaleur et humidité des systèmes fortement précipitants, tandis que le couplage avec un modèle de vagues conduit principalement à modifier la dynamique en basses couches. Ces résultats ont finalement été mis en parallèle avec des tests de sensibilité à la paramétrisation des flux turbulents de surface. Il en ressort que le choix de la paramétrisation des flux turbulents peut avoir un impact de même ampleur voire plus important sur la prévision de l'épisode méditerranéen que le couplage avec un océan interactif, alors que l'effet dynamique n'est produit qu'en considérant le forçage/couplage des vagues.The Western Mediterranean Sea area is frequently affected in autumn by heavy precipitation events (HPEs). These episodes, characterized by strong offshore low-level winds and heavy rain in a short period of time, can lead to severe flooding and wave-submersion events. This thesis work aims to progress towards integrated short-range forecast system via coupled modeling for a better representation of the processes at the air-sea interface. The methodology consists in studying the impact of a realistic representation of freshwater flow into the ocean, then examining the impact of better taking into account the sea state, particularly through coupling.In a first part, we evaluated the sensitivity to different river flow representations in the NEMO ocean model during the HyMeX campaign (SOP1, fall 2012). For this purpose, two ocean configurations were used, WMED (1/36°) covering the Western Mediterranean Sea and a new configuration: NWMED (1/72°) covering the Northwestern Mediterranean Sea. Three river discharge forcings are used: a monthly climatology as well as daily and hourly observations. The results showed a significant local impact on the ocean stratification when river discharge observations are used compared to climatology. The surface salinity is modified as well as the mixing layer, becoming thinner, delimited by a well marked halocline. Secondly, we focused on a HPE that occurred between October 12 and 14, 2016 in the south of France. In order to study the role of sea state in air-sea exchanges, a set of numerical simulations was carried out with the Météo-France AROME kilometric atmospheric model - including the turbulent sea surface fluxes parameterization WASP - forced or coupled with the WaveWatchIII wave model. The results showed that taking sea state into account has a significant impact on the lower levels of the atmosphere, reducing the surface wind speed and modifying the precipitation forecast over sea, particularly the location. In the third part of the thesis, we evaluated the contribution of ocean-atmosphere-wavecoupling. In order to identify and quantify the coulping impacts, coupled ocean-atmospherewave simulations were performed using the coupled NEMO-AROME-WaveWatchIII system and notably compared to coupled atmosphere-wave and ocean-atmosphere simulations. The results showed, first of all, that the forecast is sensitive to coupling, and that the interactive coupling with the ocean leads to significant changes in the heat and moisture supply of HPE, while coupling with a wave model mainly leads to changes in the low-level dynamics. These results were finally compared with atmospheric sensitivity tests to the turbulent sea surface fluxes parameterization and to SST. It emerges that the choice of the parameterization can be of great importance for the HPE forecast as large as the coupling with an interactive ocean, whereas the dynamic effect is only produced by considering waves forcing/coupling