Représentation de la turbulence dans des couches stables en altitude par les modèles météorologiques
Rogel, Léo
Representation of Turbulence in Stable Atmospheric Layers at High Altitudes
Cette thèse a pour objet l'analyse du comportement de la paramétrisation actuelle de la turbulence dans des couches stables au niveau de la tropopause. Peu de travaux de recherche se sont en effet intéressés à la caractérisation de la turbulence sous des conditions de forte stabilité en altitude. La principale originalité de ces travaux de thèse réside dans la réalisation d'une simulation à très fine résolution avec le modèle atmosphérique de recherche Méso-NH de phénomènes turbulents au niveau de la tropopause, adoptant la méthodologie des simulations aux grandes échelles de la turbulence. La simulation obtenue est une giga-LES (Large Eddy Simulation), et sa mise en oeuvre au cours de cette thèse constitue un challenge numérique en termes de capacité de calcul et de traitement de données.La simulation reproduit un cas météorologique réel de jet hivernal pour lequel des observations d'avions de ligne indiquent la présence de turbulences en sortie de ce jet, proche d'un front d'altitude. Cette turbulence en ciel clair est liée à la présence d'instabilité de cisaillement s'amplifiant dans une zone de stabilité dynamique réduite. Les simulations réalisées atteignent 130m de résolutions horizontale et verticale, sur une grande grille numérique, afin d'inclure les conditions météorologiques de grande échelle menant à l'épisode ainsi que les fluctuations de toutes petites échelles. L'étude se focalise sur la comparaison des champs moyens, des gradients verticaux, et des flux turbulents diagnostiqués à différentes résolutions spatiales. A cette fin, une méthode de filtrage spatial a été utilisée pour 1) quantifier la part de la variabilité résolue aux échelles kilométriques par les modèles atmosphériques sur ces phénomènes de turbulence en ciel clair, et 2) évaluer les flux turbulents paramétrés par le schéma de turbulence à la résolution horizontale opérationnelle du modèle AROME de Météo-France, à 1.3km.Un déficit systématique de mélange turbulent est diagnostiqué pour les modèles AROME et Méso-NH à résolution kilométrique. On montre que ce manque de mélange turbulent est principalement imputable à une dissipation turbulente trop forte. De plus, on met aussi en évidence une forte anisotropie des variances de vent à l'échelle kilométrique. Une surestimation de la longueur de mélange par la formulation opérationnelle compense partiellement cette mauvaise fermeture de la dissipation, sans parvenir à maintenir des niveaux d'énergie cinétique sous-maille et de diffusion turbulente suffisants. Les résultats de cette étude montrent aussi un impact important de la résolution verticale sur le cisaillement vertical de vent par le modèle, bien supérieur à la prise en compte des effets tridimensionnels dans le schéma de turbulence à la résolution kilométrique. Enfin, des perspectives de travail sont esquissées sur une fermeture de la dissipation de la turbulence, qui devra nécessairement prendre en compte les conditions fortement anisotropes de la turbulence en conditions stables pour ces phénomènes d'altitude. </p>
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