Étude et paramétrisation de la turbulence et des nuages de couche limite PDF Download
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Book Description
L'objectif principal de cette thèse était de développer une nouvelle paramétrisation améliorant le mélange et la représentation des nuages dans les couches limites convectives. Nous avons développé ainsi une paramétrisation basée sur le concept EDMF pour Eddy-Diffusivity/Mass Flux dans lequel le schéma en flux de masse représente un thermique idéalisé qui peut échanger de l'air avec son environnement et dont les parcelles d'air peuvent condensées. Dans la partie sèche de l'updraft, l'entraînement et le détrainement sont définis comme proportionnels à la flottabilité et inversement proportionnels à la vitesse verticale dans l'updraft. Ce formalisme permet à ces échanges de s'adapter en fonction du type de couche limite ou encore de l'intensité de la convection. Dans le nuage, c'est le formalisme en tri par flottabilité qui a été choisi. Il est en effet bien adapté pour les échanges entre le nuage et son environnement. Les tests dans un modèle unicolonne ont permis de mettre en valeur l'apport d'un tel schéma dans la représentation du mélange mais aussi des nuages de couche limite. Il permet notamment une bonne représentation de la zone à contre-gradient et corrige un défaut bien connu des paramétrisations en coefficient d'échange turbulent. Des résultats 3D pré-opérationnels sont présentés et montrent la nécessité d'un tel schéma pour des modèles à 2.5km de résolution. Il a été ainsi implémenté dans le nouveau modèle opérationnel de Météo-France, AROME.
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L'objectif principal de cette thèse était de développer une nouvelle paramétrisation améliorant le mélange et la représentation des nuages dans les couches limites convectives. Nous avons développé ainsi une paramétrisation basée sur le concept EDMF pour Eddy-Diffusivity/Mass Flux dans lequel le schéma en flux de masse représente un thermique idéalisé qui peut échanger de l'air avec son environnement et dont les parcelles d'air peuvent condensées. Dans la partie sèche de l'updraft, l'entraînement et le détrainement sont définis comme proportionnels à la flottabilité et inversement proportionnels à la vitesse verticale dans l'updraft. Ce formalisme permet à ces échanges de s'adapter en fonction du type de couche limite ou encore de l'intensité de la convection. Dans le nuage, c'est le formalisme en tri par flottabilité qui a été choisi. Il est en effet bien adapté pour les échanges entre le nuage et son environnement. Les tests dans un modèle unicolonne ont permis de mettre en valeur l'apport d'un tel schéma dans la représentation du mélange mais aussi des nuages de couche limite. Il permet notamment une bonne représentation de la zone à contre-gradient et corrige un défaut bien connu des paramétrisations en coefficient d'échange turbulent. Des résultats 3D pré-opérationnels sont présentés et montrent la nécessité d'un tel schéma pour des modèles à 2.5km de résolution. Il a été ainsi implémenté dans le nouveau modèle opérationnel de Météo-France, AROME.
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Améliorer la représentation de la couche limite stable constitue un des grands challenges de la prévision numérique du temps et du climat. Sa représentation est clé pour la prévision du brouillard, du gel des surfaces, des inversions de température, du jet de basse couche et des épisodes de pollution. De plus, à l'échelle climatique, la hausse de la température moyenne globale de l'air en surface impacte davantage les régions polaires : améliorer la représentation de la couche limite stable est un enjeu important pour réduire les incertitudes autour des projections climatiques. Depuis une quinzaine d'années, les exercices d'intercomparaison de modèles GABLS ont montré que le mélange turbulent dans la couche limite stable est généralement surestimé par les modèles de prévision du temps. En effet, de nombreux modèles intensifient artificiellement l'activité de leur schéma de turbulence afin d'éviter une décroissance inévitable du mélange lorsque la stabilité dépasse un seuil critique en terme de nombre de Richardson gradient. Ce problème numérique et théorique n'est pas en accord avec de nombreuses observations et simulations à haute résolution qui montrent une activité turbulente séparée en deux régimes : un régime faiblement stable dans lequel l'atmosphère est turbulente de manière continue et intense, et un régime très stable dans lequel la turbulence est très intermittente, anisotrope et faible en intensité. Ces travaux de thèse s'articulent autour de deux parties dont l'objectif principal est d'améliorer la paramétrisation de la turbulence dans le modèle atmosphérique de recherche Méso-NH développé conjointement par Météo-France et le Laboratoire d'Aérologie, et dans le modèle opérationnel AROME. Cette étude utilise une méthodologie communément employée dans le développement de paramétrisations qui consiste à comparer des simulations à très haute résolution qui résolvent les structures turbulentes les plus énergétiques (LES) à des simulations uni-colonnes d'un modèle méso-échelle. Plusieurs simulations 3D couvrant différents régimes de stabilité de l'atmosphère sont réalisées avec Méso-NH. Les limites du modèle LES en stratification stable sont documentées. Une première partie répond à la problématique de la surestimation du mélange dans le régime faiblement stable. Une expression originale pour la longueur de mélange est formulée. La longueur de mélange est un paramètre clé pour les schémas de turbulence associés à une équation pronostique pour l'énergie cinétique turbulente. Cette longueur de mélange non-locale combine un terme de cisaillement vertical du vent horizontal à une formulation existante qui repose sur la flottabilité. Le nouveau schéma est évalué dans des simulations 1D par rapport aux LES d'une part ; et dans le modèle opérationnel AROME par rapport aux observations de l'ensemble du réseau opérationnel de Météo-France d'autre part. Une deuxième partie apporte des éléments d'évaluation d'un schéma combinant deux équations pronostiques pour les énergies cinétiques et potentielles turbulentes. En condition stable, le flux de chaleur négatif contribue à la production d'énergie potentielle turbulente. L'interaction entre les deux équations d'évolution permet, via une meilleure prise en compte de l'anisotropie et d'un terme à contre gradient dans le flux de chaleur, de limiter la destruction de l'énergie turbulente dans les modèles. Dans les cas simulés, cette nouvelle formulation ne montre pas un meilleur comportement par rapport à un schéma à une équation pour l'énergie cinétique turbulente car le mécanisme d'auto-préservation n'est pas dominant par rapport au terme de dissipation. Il conviendra d'améliorer la paramétrisation du terme de dissipation dans le régime très stable.
Author: Catherine Rio Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages :
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L’objectif principal de cette thèse est d’améliorer la représentation du cycle diurne des nuages convectifs dans les modèles de circulation générale atmosphérique grande-échelle. La sous-estimation des nuages bas, le déclenchement prématuré des précipitations convectives ainsi que leur arrêt prématuré en fin de journée sont des biais communs à la plupart des modèles de climat. L’amélioration de ces différents aspects passe notamment par une représentation plus réaliste des mouvements convectifs de la couche limite atmosphérique. Pour cela, les processus en jeu dans la turbulence de couche limite, la convection sèche et nuageuse, peu profonde et profonde, sont d’abord étudiés à l’aide d’observations et de simulations haute résolution. Cela permet d’établir les hypothèses à la base de la paramétrisation que l’on souhaite développer. Pour essayer de prendre en compte toutes les échelles de turbulence observées dans la couche limite convective, on combine à un schéma diffusif classique une paramétrisation en flux de masse représentant les structures cohérentes de la couche limite : le modèle du thermique nuageux. Le schéma est principalement testé dans une version unicolonne du modèle LMDZ, développé au Laboratoire de Météorologie Dynamique, sur des cas particuliers de convection continentale, sèche et nuageuse, peu profonde et profonde, et évalué à partir d’observations et de simulations haute résolution. La représentation explicite d’un panache ascendant entraînant et détraînant, ainsi que d’une subsidence compensatoire dans l’environnement, permet d’améliorer le cycle diurne de la couche limite et des cumulus qui se forment par beau temps. Cette meilleure représentation des nuages de couche limite a par ailleurs des répercussions sur le cycle diurne de la convection plus profonde associée aux orages et prise en compte par une paramétrisation indépendante. Le contrôle du déclenchement et de l’intensité de la convection profonde par les processus dits sous-jacents, de couche limite d’une part et liés à la formation de poches froides sous le système convectif précipitant d’autre part, permet de retarder le déclenchement des précipitations de plusieurs heures et de les maintenir plus tard dans la soirée. Enfin, les développements effectués sont adaptés à la représentation de la convection induite par les feux de biomasse dans les Tropiques. Initialisé par les caractéristiques des feux dans ces régions, le modèle du thermique nuageux devient celui du pyro-thermique nuageux, avec des panaches qui restent confinés dans la couche limite mais peuvent aussi percer jusqu’à la moyenne troposphère. Les différentes paramétrisations évoquées sont destinées à faire partie de la nouvelle version 3D de LMDZ, en vue des simulations climatiques à effectuer dans le cadre du prochain rapport du Groupe d’experts Intergouvernemental sur l’Evolution du Climat (GIEC).
Author: Pierre Malecki Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 249
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La couche limite tridimensionnelle turbulente est le siège de phénomènes complexes, particulièrement du point de vue de la structure de la turbulence. L'xploitation des propriétés des équations de Prandtl permet un calcul très rapide par une méthode de marche en espace, ce qui facilite l'étude des performances de modèles de fermeture complexes. Le code de calcul de couche limite du CERT/DERAT a été étendu pour permettre des calculs en mode inverse ; des modèles de turbulence classiques, reposant sur l'intéhration de une à cinq équations de transport pour les moments turbulents, ont été inclus dans la méthode en vue d'une utilisation industrielle. La surface sur laquelle se développe la couche limite peut être donnée par plusieurs blocs de maillage structuré, et la méthode proposée permet la coexistence de zones laminaires, transitionnelles ou turbulentes avec équations de transport. En couche limite tridimensionnelle, la contrainte de cisaillement turbulente n'est pas alignée avec la contrainte visqueuse. Les modèles à viscosité tourbillonnaire étant incapables de reproduire cette propriété une autre partie de l'étude, plus fondamentale, examine les développements récents sur la fermeture au second ordre. L'accent porte particulièrement sur le tenseur des corrélations pression-déformation, et ses propriétés pour la couche limite tridimensionnelle sont étudiées. Les adaptations nécessaires pour prendre en compte la présence de la paroi sont également présentées. Tout le tenseur de Reynolds a été intégré numériquement par des approches à une ou deux couches pour évaluer des fermetures récentes non linéaires en écoulement tridimensionnel, sur les cas d'une aile en flèche et d'un ellipsoïde de révolution en incidence. Une excellente prévision de l'écoulement moyen, et des désalignements, bien qu'encore trop peu importants ont pu être obtenus avec certains modèles.
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CETTE ETUDE A PERMIS D'IDENTIFIER LES MOUVEMENTS ORGANISES DANS UNE COUCHE LIMITE TURBULENTE SUR PAROI LISSE OU RUGUEUSE. DEUX TECHNIQUES DE MESURES SONT UTILISEES : L'ANEMOMETRIE A FIL CHAUD ET LA P.I.V. DANS UN PREMIER TEMPS, L'ARSENAL CLASSIQUE UTILISANT L'ANALYSE CONVENTIONNELLE A ETE MIS EN UVRE (MOMENTS D'ORDRE ELEVES, ANALYSE SPECTRALE, CORRELATIONS SPATIO-TEMPORELLES...). DANS UN DEUXIEME TEMPS, UNE APPROCHE FONDEE SUR LES METHODES CONDITIONNELLES A PERMIS EN PARTICULIER D'EXTRAIRE LA PARTIE COHERENTE DU SIGNAL ANEMOMETRIQUE ET D'EN ANALYSER L'INTENSITE, L'ECHELLE ET LA FREQUENCE. LES INFORMATIONS FOURNIES PAR CHACUNE DE CES TECHNIQUES SE REVELENT COMPLEMENTAIRES ET OFFRENT UNE VISION GLOBALE DES PHENOMENES. LES RESULTATS OBTENUS MONTRENT L'INFLUENCE DES RUGOSITES DE TYPE K SUR LES STRUCTURES DE LA TURBULENCE. CETTE INFLUENCE S'EXERCE NON SEULEMENT DANS LA REGION DE PROCHE PAROI, MAIS EGALEMENT DANS LES REGIONS EXTERNES. PLUSIEURS METHODES ONT PERMIS DE MONTRER QUE LA RUGOSITE DE TYPE K AUGMENTE LE DEGRE D'ISOTROPIE. L'ANALYSE DES TERMES DU BILAN D'ENERGIE CINETIQUE TURBULENTE MONTRE QUE TOUT MODELE DE TURBULENCE DOIT TENIR COMPTE DE LA GEOMETRIE DE LA SURFACE AFIN DE PREDIRE CORRECTEMENT LES CARACTERISTIQUES DE TRANSPORT DE L'ECOULEMENT. CETTE ETUDE MONTRE EN PARTICULIER QUE CE TYPE DE RUGOSITE SE CARACTERISE PAR UNE PREDOMINANCE DE BALAYAGES CONTRAIREMENT A LA PAROI LISSE OU LES MOUVEMENTS COHERENTS SONT ESSENTIELLEMENT DE TYPE EJECTIONS.
Author: Julien Pergaud
Author: Julien Pergaud
Author: Quentin Rodier
Author: Catherine Rio
Author: Jean-François Mahfouf
Author: Alexandre Favre
Author: Roger Michel
Author: Pierre Malecki
Author: Adalbert Oudart
Author: Jean Cousteix
Author: Laurent Keirsbulck