Étude in-situ des écoulements catabatiques sur pente alpine forte en situation anticyclonique
Encadrants
M. Christophe Brun (LEGI)
M. Jean-Martial Cohard (IGE - Institut des Géosciences de l’Environnement)
M. Jean-Emmanuel Sicart (IGE - Institut des Géosciences de l’Environnement)
Résumé
Les vents catabatiques sont des écoulements gravitaires très fréquents à la surface de la Terre, mais assez mal compris ou modélisés lorsqu’ils se développent sur pente forte. Des mesures nocturnes et hivernales sur une pente alpine enneigée de 30° permettent d’étudier les profils de vitesse de vent et de température de l’écoulement catabatique, ainsi que ses quantités turbulentes, à l’aide d’un mât de 10 m équipé d’anémomètres soniques et de thermocouples. Des sondes embarquées sous un ballon captif complètent les profils de vitesse et de température, et donnent une estimation de la stratification ambiante. Cette campagne de mesures, réalisée en février 2019, est inédite, dans la mesure où elle donne accès pour la première fois à la vitesse normale à la surface, et à des mesures de vitesse en proche surface à des hauteurs aussi basses que 3 cm (grâce à un tube de Pitot 3D). Ces données sont complémentaires d’une campagne de mesures préliminaire réalisée en novembre 2012 sur un sol pierreux sur le même site, à l’aide d’un mât de 7 m. Elles devraient permettre de progresser dans la compréhension des processus turbulents dans la couche limite atmosphérique en relief complexe.
Un modèle d’évolution des quantités intégrales le long de la pente, inspiré de la littérature scientifique, est développé à partir des équations de chaleur et de quantité de mouvement intégrées sur la hauteur du jet catabatique. La vitesse débitante augmente suivant une loi en puissance 1/3 de la distance depuis le sommet, jusqu’à atteindre une valeur maximale, puis décroît. Cette loi en puissance est corrigée par un terme de stratification, non-négligeable sur pente forte. Le modèle donne également accès à une estimation du flux de chaleur en surface, et de son évolution le long de la pente. On montre enfin une oscillation de la norme de la vitesse sur une période de l’ordre de 20 minutes, en lien avec la stratification ambiante.
Les mesures réalisées au tube de Pitot 3D à haute fréquence (1250 Hz) en proche surface montrent une loi logarithmique de vitesse bien développée entre z = 300 et z = 3000, avec une correction mineure liée aux effets de la gravité. La région interne du jet n’est pas une couche à flux constant, et l’utilisation d’un modèle analytique développé dans la littérature permet de reproduire le comportement du flux turbulent de quantité de mouvement sous le maximum de vitesse de vent, en cohérence avec les données. Enfin, la zone inertielle des spectres de vitesse réalisés à partir des données du tube de Pitot 3D est entièrement résolue.
Par ailleurs, les mesures turbulentes au sein du jet catabatique montrent que la flottabilité peut générer de l’énergie cinétique turbulente (TKE) dans la partie haute du profil, alors qu’elle agit habituellement comme un puits de TKE, en conditions thermiquement stables dans les couches limites turbulentes. La campagne de mesures de 2019 permet d’accéder aux données dans le repère de la topographie : la vitesse normale à la surface est négative dans la partie basse du jet, et devient positive au milieu du jet. Un modèle analytique, basé sur l’équation de quantité de mouvement, fournit des vitesses cohérentes avec les mesures dans la partie basse du jet. Les données dans le repère de la topographie permettent aussi d’estimer certains termes du bilan de TKE rarement accessibles sur forte pente avec des mesures in-situ, tels que l’advection de TKE sur z.
En plus du bilan de TKE, la détermination des termes de cisaillement et de flottabilité de l’équation bilan du flux turbulent de quantité de mouvement permet de redéfinir un nombre de Richardson de cisaillement turbulent, jamais utilisé auparavant dans la littérature des vents catabatiques. Ce nombre de Richardson de cisaillement turbulent est un paramètre de stabilité complémentaire au nombre de Richardson de flux défini à partir du bilan de TKE. Les flux turbulents varient avec le nombre de Richardson de gradient Ri, avec un ratio de diffusivité turbulente sur la viscosité turbulente variant de presque 1.4 (Ri environ 0) à 0.5 (Ri supérieur 0.5). Un paramètre d’efficacité de mélange est introduit, prenant en compte la production ou la consommation de TKE par le flux turbulent de chaleur sensible parallèle à la surface.