Modélisation de la structure verticale de la turbulence optique en milieu naturel

par Joris Pianezze

Thèse de doctorat en Mécanique, génie mécanique

Sous la direction de Yves Gagne et de Jean-Martial Cohard.

Le président du jury était Gerhard Krinner.

Le jury était composé de Yves Gagne, Jean-Martial Cohard, Sylvain Cheinet, Fabienne Lohou, Sandrine Anquetin.

Les rapporteurs étaient Jean-luc Redelsperger, Mathias w. Rotach.


  • Résumé

    Les milieux complexes sont une source d'incertitude importante notamment lorsqu'il s'agit de développer des modèles climatique ou météorologique. Le développement de la couche limite atmosphérique à l'intérieur d'une vallée encaissée, incluant des vents de vallée et de pente, n'est, par exemple, pas résolu, ce qui a un impact considérable sur la prévision de la convection, du transport de polluants, etc... La simulation des grandes échelles de la turbulence (SGE) est un outil qui a montré sa capacité à reproduire finement les structures turbulentes dans ce type de contextes au travers des approches idéalisées. L'extension de la SGE aux milieux naturels est réalisée dans cette thèse qui s'articule en trois parties. La première partie présente les équations et les notions nécessaires à la compréhension des problèmes de turbulence dans la couche limite atmosphérique. On s'attache à décrire le cadre des lois issues de la théorie des similitudes et le cadre de la turbulence optique. La seconde partie présente des résultats issus de deux simulations idéales dans lesquelles nous comparons les résultats issus de la simulation avec d'une part les lois issues de la théorie des similitudes et d'autre part les données radar disponible lors de la campagne IHOP. L'utilisation d'un maillage raffinée près du sol permet d'améliorer les profils verticaux des champs turbulents en améliorant la prédiction des gradients à l'interface sol/atmosphère. De plus, le profil de couche limite est bien reproduit par les profils du paramètre de structure des fluctuations de l'indice de réfraction de l'air simulé si on compare avec les résultats issus du radar. Globalement, la dynamique des champs turbulents résolus par le modèle reproduise une dynamique et des ordres de grandeurs corrects conformes à nos attentes. Une fois l'évaluation du modèle effectuée, une simulation a été mise en place autour de la campagne d'observation VOTALP située dans le sud de la Suisse. Cette simulation comprend 5 domaines emboités allant de 16 kms de résolution horizontales pour le plus grand domaine à 100m pour le plus petit domaine. L'important dispositif déployé durant la campagne VOTALP située dans une vallée dans le sud de la Suisse a permis de confronter les résultats issus de la modélisation à haute résolution avec ces données d'observation. Les résultats obtenus ont, entre autre, montré que la simulation à haute résolution est un outil adapté pour l'étude des phénomènes de basses couches et notamment la turbulence optique en milieu complexe.

  • Titre traduit

    Modeling of the vertical structure of optical turbulence in natural environment


  • Résumé

    Complex environments are an important source of uncertainty especially when it comes to developing climate models and weather. The development of the atmospheric boundary layer within a valley, including valley and slope winds is, for example, unresolved, which has a significant impact on the prediction of convection, of transport of pollutants, etc ... The large eddy simulation of turbulence (LES) is a tool that has demonstrated its ability to reproduce turbulent structures in such idealized contexts. The extension of the LES to natural environments is performed in this thesis divided into three parts. The first part presents the equations and the concepts necessary to understanding the problems of turbulence in the atmospheric boundary layer. It attempts to describe the laws for the similarity theories and the context of optical turbulence. The second part presents the results of two ideals simulations and we compare the results of the simulation with one hand the laws of the similarity theories and in other hand with radar data available in the IHOP campaign. The use of a refined mesh near the floor improves vertical profiles of turbulent fields improving prediction gradients at the interface soil / atmosphere. In addition, the boundary layer profile seems to be well reproduced by Cn2 profiles when compared with the results from the radar. Overall, the dynamics of turbulent fields solved are in good agreement with our expectations. Once the model evaluation performed, a simulation was set up around the measurement campaign VOTALP located in the south of Switzerland. This simulation includes five nested domains ranging from 16 km horizontal resolution for the largest to 100m for the smallest area. The important device deployed during the campaign VOTALP located in a valley in southern Switzerland has to confront the results of modeling the high-resolution observational data. The results obtained, among others, showed that the high-resolution simulation is a suitable tool for the study of the phenomena of lower layers including optical turbulence in complex environments.


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