Three-dimensional modeling of radiative and convective exchanges in the urban atmosphere

par Yongfeng Qu

Thèse de doctorat en Sciences et Techniques de l'Environnement

Sous la direction de Bertrand Carissimo.

Le président du jury était Patrice G. Mestayer.

Le jury était composé de Bertrand Carissimo, Jean-Francois Sini, Jean Philippe Gastellu-Etchegorry, Marina K-A Neophytou.

Les rapporteurs étaient Marjorie Musy, Valéry Masson.

  • Titre traduit

    Modélisation tri-dimensionnelle des échanges radiatifs et convectifs dans l’atmosphère urbaine


  • Résumé

    Dans de nombreuses études micrométéorologiques, les modèles numériques prenant en compte les bâtiments considèrent généralement l'atmosphère comme neutre. Néanmoins, les transferts radiatifs urbains jouent un rôle important en raison de leur influence sur le bilan énergétique. Afin de prendre en compte le rayonnement atmosphérique et les effets thermiques des bâtiments dans les simulations de l'écoulement atmosphérique et la dispersion des polluants en milieux urbains, nous avons développé un modèle de rayonnement atmosphérique tridimensionnel (3D), dans le module atmosphérique du code de mécanique des fluides Code_Saturne. Le schéma radiatif a été précédemment validé avec des cas idéalisés, en utilisant dans un premier temps, un champ constant de vent 3D. Dans ce travail, le couplage des schémas radiatifs et thermiques avec le modèle dynamique est évalué. L'objectif de la première partie est de valider le couplage complet avec les mesures de la campagne de mesure américaine ‘Mock Urban Setting Test' (MUST) sur des géométries simples. La deuxième partie traite deux approches différentes pour modéliser les échanges radiatifs en milieu urbain avec une comparaison entre Code_Saturne et SOLENE. La troisième partie utilise le couplage complet pour montrer l'apport du modèle de transfert radiatif sur l'écoulement de l'air dans des conditions de faible vitesse du vent dans une canopée 3D. Dans la dernière partie, nous utilisons le couplage dynamique-radiatif pour simuler un environnement urbain réel et valider le modèle avec les données expérimentales de la campagne ‘Canopy and Aerosol Particle Interactions in Toulouse Urban Layer' (CAPITOUL)


  • Résumé

    In many micrometeorological studies, building resolving models usually assumea neutral atmosphere. Nevertheless, urban radiative transfers play an important role because of their influence on the energy budget. In order to take into account atmospheric radiation and the thermal effects of the buildings in simulations of atmospheric flow and pollutant dispersion in urban areas, we have developed a three-dimensional (3D) atmospheric radiative scheme, in the atmospheric module of the Computational Fluid Dynamics model Code_Saturne. The radiative scheme was previously validated with idealized cases, using as a first step, a constant 3D wind field. In this work, the full coupling of the radiative and thermal schemes with the dynamical model is evaluated. The aim of the first part is to validate the full coupling with the measurements of the simple geometry from the ‘Mock Urban Setting Test' (MUST) experiment. The second part discusses two different approaches to model the radiative exchanges in urban area with a comparison between Code_Saturne and SOLENE. The third part applies the full coupling scheme to show the contribution of the radiative transfer model on the airflow pattern in low wind speed conditions in a 3D urban canopy. In the last part we use the radiative-dynamics coupling to simulate a real urban environment and validate the modeling approach with field measurements from the ‘Canopy and Aerosol Particle Interactions in Toulouse Urban Layer' (CAPITOUL)


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