Observation et modélisation de couche limite atmosphérique stable en relief complexe : le processus turbulent d'écoulement catabatique

par Sébastien Blein

Thèse de doctorat en Mécanique des fluides, procédés, énergétique

Sous la direction de Christophe Brun.

Le président du jury était Chantal Staquet.

Le jury était composé de Jean-Martial Cohard, Branko Grisogono.

Les rapporteurs étaient Mathias Rotach, Valéry Masson.


  • Résumé

    La couche-limite atmosphérique turbulente stable, particulièrement en zone de relief, n'est pas totalement comprise. Elle est, donc, 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 catabatique. En région de montagne, le maximum de vent est généralement enregistré à une hauteur (z_j) de 1-10 m. Le jet de paroi engendre un changement de signe du flux de qdm ainsi qu'une variabilité du flux de chaleur sensible proche du sol. Ces variabilités de flux turbulents contredisent l'applicabilité de la théorie des similitudes de Monin-Obukhov (TSMO), pourtant utilisée de manière universelle dans les modèles atmosphériques. Si la TSMO est 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. Il est donc impossible de représenter correctement un écoulement catabatique (z_j 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 du travail de thèse est d'apporter une contribution dans la compréhension et la modélisation de ces écoulements.Afin de compléter les observations peu nombreuses, une campagne de mesure a été réalisée sur une pente raide (20-40 deg) : la pente ouest du Grand Colon (chaîne de Belledonne, Alpes). 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 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 montrent un comportement propre aux écoulements catabatiques: recouvrement progressif selon z des corrélations croisées <0 et >0. 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 de surface de ISBA (Météo-France) est modifié 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. Dans un second temps, les données in-situ sont modélisées, d'abord en fournissant des profils de diffusivités effectives 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. Le modèle de longueur de mélange est principalement remis en cause, y compris en utilisant des paramétrisations adaptées.Des simulations LES 3D réalistes (Meso-NH, Météo-France) sont effectuées à haute résolution pour représenter le cas d'étude. Ces modélisations représentent finement les variabilités spatiales de l'écoulement catabatique. 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 m 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 connaître "a priori" les profils de diffusivité. Ceci implique l'utilisation d'un modèle de turbulence. Le couplage du modèle 1D de surface (précédemment modifié et validé "off-line") est donc proposé pour répondre au manque de description de la physique par les CaL classiques de surface. Le travail préliminaire du couplage est présenté et des solutions sont proposées en perspective.

  • Titre traduit

    Experiment and modelling of stable stmopheric soundary layer on complex terrain : the turbulent katabatic wind process


  • Résumé

    The stable atmospheric boundary layer, particularly in complex terrain, is not yet fully understood and it is thus still inadequately modelled. A surface cooling of a sloping terrain generates katabatic wind due to local density increase. This flow behaves as a wall-bounded turbulent jet, often simply modelled by a local balance between the buoyancy force and the turbulent friction. In mountainous regions, the wind maximum is typically observed at a height (z_j) of 1-10 m above the ground. The wall-bounded jet is responsible for a momentum-flux sign change and a heat-flux variability close to the ground. Those turbulent-flux variabilities are fully conflicting with the aplicability of the Monin-Obukhov similarity theory (MOST), which is nevertheless universally used in the atmospheric models to provide the surface boundary condition. If the MOST is already questionable for the very stable cases, it is obviously not valide over sloping surfaces because it neglectes the coupling of the wind and temperature equations, which constitutes the katabatic source. Hence, it is not possible to adequatly model a katabatic flow (z_j O(1m)) using the MOST, especially with a vertical resolution of the order of magnitude of z_j. The aim of the this PhD work is thus to improve the current understanding and modelling capacity of the katabatic winds.Since data sets of turbulent-katabatic-flow measurements are still scarce, a new field campain was carried out on a steep slope (20-40 deg): the west face of the Grand-Colon mountain (Belledonne ridge, French Alps). The experimental setup was mainly composed of a 6m mast with four sonic-anemometer levels (1, 2, 4 and 6m) to measure the turbulence on both sides of the katabatic jet. The spectral analysis shows the hight sensitivity of the local flow to external perturbations, even when these are weak. The hight-frequency subrange shows a classical behaviour (energy-injection frequency, inertial subrange), but the spectra of the intermediate and low-frequency subranges are less typical: turbulent perturbations with an energy of the order of magnitude of the local injection are present. A specific cospectra behaviour of the katabatic flows is shown: negative and positive cross-correlations overlap gradually, increasing z. The MOST fails in representing the observed flow and a surface-flux alternative estimation is succesfully used to describe the friction vellocity.The 1D surface model of ISBA (Météo-France) is modified to model katabatic flows. The model is firstly validated with a standard calibrated Prandtl model (with variable eddy difusivity). Secondly, the field data are modelled both with a prescribed effective diffusivity (from data) and using the 1.5-order turbulence scheme. The mean velocity and temperature fields are well reproduced, but it appears that the model is over-diffusive (which generates excessive fluxes), even when an adapted mixing-length is used.Realistic 3D LES simulations (Meso-NH, Météo-France) are computed with high resolution to model the field data. Spatial flow variabilities over sloping terrain are finely represented, but are biased, mainly due to the using of MOST for the surface boundary counditions. The using of MOST shifts the start of the katabatic source detection by the atmospheric model to a height of 2 m, while the katabatic source reaches its maximum at the surface. Analytical katabatic models (of the Prandtl type, which could be easily used to feed surface boundary counditions) need an "apriori" definition of the eddy and heat diffusivities. Currently, the general definition of these diffusivities is only possible by the use of turbulent models that include closures. The coupling of the previously-presented 1D surface model (validated off-line) is suggested to overcome the lack of physics description in the classic surface boundary counditions. Preliminary work on this coupling is developed and perspective solutions are proposed.


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