Thèse Caractérisation des Hydrométéores et de leur Structure Spatio-Temporelle H/F - Doctorat_Gouv

Établissement : Université Grenoble Alpes
École doctorale : STEP - Sciences de la Terre de l'Environnement et des Planètes
Laboratoire de recherche : Institut des Géosciences de l'Environnement (IGE)
Direction de la thèse : Gilles MOLINIE ORCID 000000025480320X
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-11-01T23:59:59

Ce projet de thèse a pour but l'étude de la structure spatio-temporelle des précipitations atmosphériques par une approche statistique, stochastique et physique.
La précipitation est un facteur gouvernant l'évolution de l'atmosphère, l'hydrosphère et la biosphère et donc impacte les ressources et les risques hydrométéorologiques et les activités industrielles, humaines en général, ...
Une des caractéristiques fondamentales des précipitations outre leur état et leur taille, est leur distribution spatio-temporelle. Malgré son importance et les 4 décades de débats scientifiques contradictoires sur ce sujet, il n'y a pas de consensus sur un schéma théorique de l'organisation des hydrométéores dans l'espace à un instant donné. Grâce à la mise au point récente d'un capteur de la taille, de la forme, des trois composantes de la vitesse des hydrométéores et surtout grâce à sa capacité à scruter instantanément un volume d'atmosphère de 100 L environ, nous souhaitons réinvestir la question de la distribution spatio-temporelle des hydrométéores d'un point de vu expérimental puis théorique.

A cause de la non-linéarité de l'ensemble des processus conduisant de la vapeur d'eau atmosphérique aux hydrométéores qui arrivent au sol, la variabilité de la pluie est importante relativement à d'autres variables atmosphérique (pression, température) et cette variabilité s'étend de l'échelle planétaire à des particules d'air de volume inférieur au mètre cube (Schertzer et Lovejoy, 1987 ; Hubert et al., 1993 ; Lilley et al., 2006).

Or les outils que nous utilisons pour mesurer (disdromètres, pluviomètres, radar), prévoir (modèles physiques de l'atmosphère ou du climat) et prédire (modèles stochastiques) les précipitations opèrent à des échelles et avec des modes d'échantillonnages différents (Smith et al., 1993 ; Uijlenhoet et al., 2006, Gires et al., 2011, Wolfensberger et al., 2017).
Ainsi la communauté des hydrométéorologues est toujours confrontée à des disparités d'échelles spatio-temporelles lorsqu'il faut prendre en compte les caractères des précipitations. Plusieurs approches sont mises en oeuvre pour surmonter ces difficultés. On peut les classer en trois groupes. Une est l'assimilation de données ponctuelles dans un modèle physique pour les spatialiser (Soubeyroux et al., 2008, Froidurot et al., 2018). Un autre utilise un générateur stochastique d'une variable sensible comme l'intensité de pluie à une échelle hydrologique ad'hoc à partir de caractères de l'atmosphère simulés à plus grande échelle (Wilcox et al., 2021). Ces 2 types d'approches traitent le saut entre 2 échelles. La troisième appelé générateur de cascade aléatoire (Schertzer et Lovejoy, 1987 ; Gupta et Waymire, 1993) fournit une expression des variables dépendant de l'échelle qui permet donc de les calculer pour un continuum d'échelles.

L'origine de cette 3eme approche est une conséquence de l'invariance d'échelle des champs de pluie (Lovejoy, 1982 ; Lovejoy et Mandelbrot, 1985 ; Lovejoy et al., 1987). Schertzer et Lovejoy (1987) font le lien théorique entre cette caractéristique des champs de pluie et le transport des gouttes de pluie dans les tourbillons d'air caractéristiques de la turbulence. Lovejoy et Schertzer (1990) se basent des captures des gouttes de pluie soit sur des surfaces conséquentes (1m2) mais des durées très courtes (1s) ou inversement pour corroborer cette hypothèse. C'est à notre connaissance Lilley et al. (2006) qui considère le plus grand échantillonnage de l'atmosphère. Il s'agit d'un volume de 8m3 échantillonné 500 fois durant 3 averses différentes.
Dans un même temps, une autre école de pensée y voit un processus de Poisson (Kotinsky et Jameson, 1997 ; Uijlenhoet et al., 2009 parmi d'autres). Dans cette configuration, la distribution des hydrométéores dans l'espace est globalement homogène dans le sens où aucune interdistance n'est privilégiée. Uijlenhoet et al. (2009) mettent en évidence un effet de l'échantillonnage dans le caractère fractal apparent de l'expérience de Lovejoy et Schertzer (1990). Ils montrent en plus que les données de ces derniers sont compatibles avec un processus de Poisson.
La controverse perdure depuis plus de 30 ans. Le dernier acte remonte à 2015 à notre connaissance. Grâce à un disdromètre vidéo du commerce (2DVD), Gires et al. (2015) estiment la position des gouttes de pluie sur une colonne virtuelle d'atmosphère de 36m de hauteur et de section 10cmx10cm. Leur déduction est l'exacte opposée à celle de Uijlenhoet et al. (2009) avant de conclure que leurs hypothèses sont trop fortes pour que l'étude fournisse une conclusion définitive. Ils écrivent qu'il est nécessaire de développer un capteur capable de scruter instantanément et de façon répétée, une portion d'atmosphère suffisante pour observer la distribution des hydrométéores dans l'espace. En effet, que ce soit parmi les disdromètres disponibles dans le commerce (Lanza et al., 2021 pour une revue) ou ceux conçus dans des laboratoires de recherche pour des expériences ponctuelles (Marshall et Palmer, 1948 ; Fabry, 1996 ; Desaulniers et al., 2001 par exemple) aucun ne répond aux critères donnés par Gires et al. (2015).

Ce sujet concerne l'étude de la structure des précipitations. La pluie, les précipitations en général, a des impacts variés dans tous les secteurs du système Terre, atmosphère (météorologie, transports, télécommunications (Ostrometzky et al., 2016 ; ...), hydrosphère et biosphère (inondation, ressource en eau, érosion...) et sur de nombreuses activités humaines (gestion des ressources et des risques, agriculture, santé, énergie, industrie,...).

Le contenu de cette thèse repose sur les données d'un disdrométre, le SCD (Single Camera Disdrometer), que nous venons de mettre au point (Brevet : Molinié et al., 2019). Il est basé sur la technique de stéréo-ombroscopie mise en oeuvre à une fréquence de 160Hz. Cette technique permet de scruter simultanément de 1 à 100 gouttes (suivant la densité de la pluie) toutes les 6 ms et ce de façon continue, ce qui permettra donc de répondre à la question de la répartition spatio-temporelle des hydrométéores (Molinié et al., 2026). A notre connaissance, c'est la première fois que des mesures qui incluent la taille, la forme et les 3 composantes de la vitesse en plus de la localisation 3D, sont disponibles.

Deux SCDs sont actuellement en opération, un sur le toit instrumenté du bâtiment OSUG-B de l'UGA, l'autre à l'Université d'Abomey-Calavi du Bénin. Co-localisés aux SCDs, il y a des disdromètres Parsivel, pluviomètres de différentes résolutions et en plus à Grenoble, un radar doppler bande K qui permet d'identifier la distribution verticale des types d'hydrométéores.
Dans le cadre du Centre d'Animation et d'Expertise pour l'observation Scientifique (CAES) METEO de l'infrastructure de recherche européenne ACTRIS, une campagne de mesure pourrait être organisée courant 2026 en région parisienne.

La question de la distribution de la taille des hydrométéores dans les 2 régions d'études aux régimes de pluie incomparables sera abordée en premier lieu avec notamment la possibilité de travailler sur les biais d'échantillonnages grâce aux mesures disdrométriques co-localisées (Uijlenhoet et al., 1999, 2006 ; Larsen et al., 2018).
La question de la répartition spatio-temporelle des hydrométéores en fonction de leur caractéristiques sera traitée ensuite grâce aux statistiques sur les mesures du SCD.
La dernière étape concernera la modélisation explicite de dynamique des hydrométéores en prenant en compte les forces de viscosité dans un air turbulent pour étudier l'éventuelle causalité entre la descente d'échelle des tourbillons de l'air et les caractéristiques multifractales de la pluie (Gires et al., 2023).

La candidate ou le candidat devra être diplômée au niveau master et/ou ingénieur. Son cursus académique doit inclure de bonnes bases en physique et mathématiques appliquées. Une formation aux sciences de l'atmosphère sera appréciée. Le poste nécessite de bonnes aptitudes de communication orale et écrite (français et anglais nécessaires) pour présenter aux congrès et rédiger des articles dans des revues scientifiques. Nous recherchons une personne motivée et curieuse, qui saura s'impliquer dans son projet, ayant une bonne autonomie et une forte motivation. Le candidat ou la candidate devra être apte à travailler en équipe dans un environnement national, international et multidisciplinaire.