Mesure in situ et modélisation de la turbulence dans le vent catabatique sur pente alpine forte en situation anticyclonique stable.

par Claudine Charrondiere

Projet de thèse en Océan, Atmosphère, Hydrologie

Sous la direction de Christophe Brun et de Jean-Martial Cohard.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale terre, univers, environnement (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire des écoulements géophysiques et industriels (Grenoble) (laboratoire) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    La compréhension et la modélisation des écoulements atmosphériques sur relief complexe constituent des problématiques majeures pour l'amélioration des prévisions météorologiques et de la qualité de l'air dans les vallées urbanisées. Nous nous intéressons ici aux processus de formation des vents catabatiques sur relief alpin avec forte pente (30 à 40°) et à leurs propriétés de mélange turbulent. Des mesures fines de turbulence (anémométrie sonique) ont été réalisées au cours de 2 campagnes in situ (novembre 2012, Avril 2015) pour observer les profils verticaux des vents de pente dans sa zone de formation, où elle prend la forme d'un jet froid gravitaire à une hauteur de 2m environ. Cet écoulement induit de forts échanges turbulents de quantité de mouvement et de chaleur en proche surface qui impactent la dynamique de l'écoulement et le remplissage des vallées par de l'air froid et stable. Une 3ème campagne in situ est en préparation (soutien du labex OSUG2020 A07) et aura lieu au cours de l'hiver 2018-2019. Elle constituera une partie expérimentale essentielle du travail de thèse. Cette étude a pour objet d'approfondir la thèse de Sébastien Blein (juin 2016) qui s'intéressait à la modélisation numérique des écoulements catabatiques en relief alpin et leur paramétrisation dans les modèles meso-échelles (en l'occurrence Meso-NH développé par le CNRM Météo France). Cette thèse a montré par une étude croisée de simulation numérique LES 3D réaliste, de simulation 1D de couche de surface et de modélisation analytique de type Prandtl que la théorie des similitudes de Monin-Obukhov, classiquement appliquée en couche limite atmosphérique par condition stratifiée stable, était complètement remise en cause dans le cas de jet catabatique sur forte pente alpine. Cette analyse s'appuyait sur une étude in situ préliminaire (Novembre 2012) qui a motivé les 2 campagnes suivantes. L'analyse de ces mesures permettra d'affiner les paramétrisations turbulentes de la basse couche limite atmosphérique en situation stratifiée stable sur forte pente comme c'est le cas dans la plupart des reliefs alpins. On se focalisera en particulier sur la façon dont les flux de chaleur sensible sont distribués entre la direction du vent catabatique et la direction perpendiculaire au sol, dans cette situation de forte pente pour laquelle il n'y a pas de consensus. Cette question est cruciale dans le bilan global d'énergie cinétique turbulente en surface afin de corriger la sous-estimation des échanges turbulents par les paramétrisations classiques. Par ailleurs, le travail de thèse d'Hélène Barral (Décembre 2014) qui s'intéressait aux vents catabatiques dans le contexte beaucoup plus extrême du plateau antarctique a permis de générer une base de données expérimentales d'intérêt pour la mise en perspective des situations catabatiques sur pente faible. Ces résultats seront réanalysés en comparaison des cas de pente forte.

  • Titre traduit

    In-situ measurements and modelisation of turbulence in katabatic winds along steep alpine slope in stable anticyclonic situations.


  • Résumé

    Understanding and modeling of atmospheric flows along complex orography is necessary to improve weather and pollution events forecasts in mountainous region. Flow dynamics along alpine slopes acts on air quality in valley, especially for stably stratified atmospheric conditions when slope flows fill up valleys with cold air, stratifying atmosphere within the valley. The kacosonic project aims at improving turbulent parametrization of katabatic flows along steep alpine slopes. There, the downslope jet develops in the first meters close to the ground and separates an internal turbulent boundary layer at the ground from an external shear layer flow. Each of these part of the katabatic flows have been documented with high resolution Large Eddy Simulations (PhD from S.Blein 2016 and H. Barral 2014). They have shown the inability of the surface layer parameterization to correctly represent the depth of this flow. in situ measurements in Belledonne mountains during three measurement campaigns in November 2012 and April 2015 have focused on turbulent processes in the near ground region for the katabatic jet along a steep slope. Observation from these 2 campaigns have shown large discrepancies with the theoretical Prandtl model, specifically for the average variables in the the external shear layer flow. A new campaign is in preparation and will be performed in winter 2018-2019 to better study this layer. The PhD project will consist in taking part to the in field measurements and further analyzing the vertical profiles of the main turbulent fluxes (including momentum and heat) in the near ground surface region. Comparison with up to date literature on the topic will be necessary in order to improve existing parameterizations. Turbulent mixing variability and turbulent kinetic energy budget will be studied and the effect of steep slope will be emphasized.