Observation et modélisation de couche limite atmosphérique stable en relief complexe : le processus d’écoulement catabatique
Membres du jury
ROTACH Mathias, Université d’Innsbruck, Rapporteur
MASSON Valéry, Meteo-France de Toulouse, Rapporteur
STAQUET Chantal, Université de Grenoble Alpes, Examinateur
GRISOGONO Branko, Université de Zagreb, Croatie, Examinateur
COHARD Jean-Martial, Université de Grenoble Alpes, Examinateur
BRUN Christophe, Université de Grenoble Alpes, Directeur de thèse
Résumé
La couche-limite atmosphérique turbulente stable, particulièrement en zone de relief, n’est pas totalement comprise. Elle est, par conséquent, mal représentée par les modèles atmosphériques. En présence de pente et d’un refroidissement du sol, l’augmentation locale de masse volumique génère un écoulement gravitaire (écoulement catabatique). Cet écoulement prend la forme de jet turbulent de paroi, souvent simplement modélisé comme l’équilibre local entre la force de flottabilité et la friction turbulente (modèle de Prandtl). En région de montagne, le maximum de vent est généralement enregistré à une hauteur (zj ) de 1 à 10 mètres au-dessus de la surface. Ce jet de paroi engendre ainsi un changement de signe du flux de quantité de mouvement ainsi qu’une variabilité conséquente du flux de chaleur sensible proche de la surface. Ces variabilités de flux turbulents contredisent de fait l’applicabilité de la théorie des similitudes de Monin-Obukhov (TSMO), pourtant utilisée de manière universelle dans les modèles atmosphériques afin de fournir les conditions aux limites en surface. Si la TSMO est déjà discutable pour les cas très stables, c’est en présence de pente qu’elle n’est naturellement plus valide puisqu’elle néglige le couplage entre les équations de vitesse et de température, représentant pourtant la source même de l’écoulement catabatique. Il est donc impossible de représenter correctement un écoulement catabatique (zj O(1m)) par un modèle utilisant la TSMO et avec une résolution verticale de l’ordre de la hauteur du maximum de vent. L’objectif de ce travail de thèse est d’apporter une contribution dans la compréhension et la modélisation de ces écoulements.
Afin de compléter les observations peu nombreuses dans la littérature, une campagne de mesure a été réalisée sur une pente raide (20◦ à 40◦) surplombant la vallée du Grésivaudan près de Grenoble : la pente ouest du Grand Colon (chaîne de Belledonne, Alpes). L’instrumentation était principalement constituée d’un mat de mesure de 6 mètres, sur lequel étaient installés quatre niveaux d’anémomètres soniques (1m, 2m, 4m et 6m). Cette installation a permis de décrire la turbulence de part et d’autre du jet de paroi. Les analyses spectrales témoignent de la sensibilité de l’écoulement local aux perturbations externes, même faibles. Les caractéristiques turbulentes classiques sont observées à haute-fréquence (fréquence d’injection d’énergie, zone inertielle) alors que des comportements moins standards sont observés aux fréquences intermédiaires ou basses et expliqués par la présence de perturbations turbulentes d’énergie du même ordre de grandeur que l’injection locale. Les cospectres Cuw montrent un comportement propre aux écoulements catabatiques : recouvrement progressif selon z des corrélations croisées négatives et positives. La TSMO est mise en défaut pour l’écoulement observé et une solution alternative est utilisée pour estimer les flux en surface, permettant une bonne description de la vitesse de frottement.
Le modèle 1D multi-couches de surface de ISBA (Surfex, Météo-France), initialement simplement diffusif (ou représentant les échanges au travers d’une canopée), est modifié dans ce travail pour répondre à la modélisation des écoulements catabatiques. Dans un premier temps, le modèle est validé sur un cas standard : en comparaison avec un modèle de Prandtl adapté (à diffusivité variable). Dans un second temps, les données in-situ sont modélisées, d’abord en fournissant des profils de diffusivités effectives (issues des données) puis en utilisant un modèle modifié de turbulence d’ordre 1.5. Les modélisations 1D représentent correctement les champs moyens de vitesse et température mais montrent cependant des comportements trop diffusifs, générant des flux excessifs. Le modèle de longueur de mélange est principalement remis en cause, y compris en utilisant des paramétrisations adaptées (indépendante de z, fonction de la stratification et du cisaillement local).
Des simulations LES 3D réalistes (Meso-NH, Météo-France) sont effectuées à haute résolution (dx×dy×dz = 10m×10m×2m) pour représenter le cas d’étude. Ces modélisations représentent finement les variabilités spatiales de l’écoulement catabatique sur la pente. Cependant, des biais sont engendrés principalement par l’utilisation de la TSMO en condition aux limites de surface. Malgré la forte résolution spatiale, l’utilisation de la TSMO repousse à seulement z = 2 mètres la perception des termes sources de l’écoulement catabatique par le modèle, alors que la source de l’écoulement atteint son maximum précisément en surface. Les modèles analytiques d’écoulement catabatique (de type Prandtl, qui pourraient aisément être intégrés en conditions aux limites) nécessitent de connaitre a priori les profils de diffusivité turbulente. Ceci implique l’utilisation d’un modèle de turbulence intégrant des fermetures. Le couplage du modèle 1D multi-couches de surface (précédemment modifié et validé "off-line") est donc proposé pour répondre au manque de description de la physique par les conditions aux limites classiques de surface. Le travail préliminaire de ce couplage est présenté et des solutions sont proposées en perspective.