Thèse Pierre-Etienne Brioulet: Thermodynamique et turbulence dans les épisodes de vents forts sur le Golfe du Lion

Thermodynamique et turbulence dans les épisodes de vents forts sur le Golfe du Lion

Mots clés :

Couche limite atmosphérique marine, échanges air-mer, HyMex-SOP2,structures cohérentes, simulation haute résolution, données aéroportée.

Résumé:

En hiver, le golfe du Lion est sujet à des conditions de vents forts (Mistral et/ou Tramontane) qui transportent des masses d’air continentales froides et sèches au dessus de la mer. Ces épisodes de Cold Air Outbreaks (CAO) , conduisent à d’intenses échanges air-mer et donc à un pompage de chaleur favorisant la formation d’eaux denses et le déclenchement de la convection océanique profonde. Cette problématique est au cœur du projet ASICS-MED centré sur compréhension des mécanismes de formation d’eaux denses en Méditerranée et qui s’inscrit dans le cadre de la thématique « Échanges air-mer intenses » du programme HyMeX dédié à l’étude du cycle de l’eau en Méditerranée. Les processus qui s’opèrent au sein de la couche limite atmosphérique marine (CLAM) et de la couche de mélange océanique(CMO) interagissent entre eux à différentes échelles spatiales ettemporelles. La compréhension de l’évolution globale de la CLAM mais également des mécanismes locaux nécessitent la prise en compte de l’ensemble des processus. L’étude présentée ici est consacrée à la structure moyenne et turbulente de la CLAM en conditions de vents forts. L’objectif est de déterminer comment l’organisation du champ turbulent est impactée lors d’épisodes de CAO et d’estimer les flux de surface associés à ces conditions de vents forts. La méthodologie adoptée est basée sur l’utilisation conjointe d’observations aéroportées collectées lors de la campagne de mesure SOP2 d’HyMeX et de simulations numériques. La campagne de mesure SOP2 d’HyMeX qui a eu lieu au cours de l’hiver 2013 dans le golfe du Lion a permis de documenter grâce à l’avion de recherche ATR42 la structure moyenne et turbulente de la CLAM lors de 11 épisodes de CAO. Une analyse spectrale s’appuyant sur un modèle analytique a été réalisé sur 181 paliers (i.e. segments de vol rectilignes et stabilisés en altitude).Les profils verticaux des échelles turbulentes caractéristiques ainsi que la forme du spectre de la vitesse verticale ont permis de mettre en évidence un allongement des structures énergétiques dans l’axe du vent moyen associé à l’organisation du champ turbulent sous la forme de rouleaux longitudinaux. Une description unidirectionnelle du champ turbulent tridimensionnel peut conduire à une représentativité limitée des structures cohérentes au sein des échantillons. Cependant, la connaissance des profils de flux sur toute l’épaisseur de la CLAM est nécessaire pour l’estimation des échanges air-mer. Une méthode de correction des flux turbulents calculés par eddy correlation a été appliqué afin de prendre en compte les erreurs systématique et aléatoire relatives à la mesure et au traitement de données. Cette correction a permis de déterminer les meilleures estimations possibles des flux extrapolés à la surface avec un marge d’incertitude pour les 11 épisodes de CAO documentés lors de la campagne SOP2 d’HyMeX.La comparaison de ces estimations aéroportées aux autres sources d’information dérivées de paramétrisations des flux a permis de mettre en évidence une sous-estimation systématique du flux de chaleur latente en conditions de vents forts. Une approche numérique a permis de compléter l’analyse de la structure moyenne et turbulente de la CLAM lors d’épisodes de CAO. L’étude numérique, base sur le modèle non-hydrostatique Meso-NH, se focalise sur un épisode de forte Tramontane avec des vent supérieurs à 25m/s documenté lors de la campagne SOP2 d’HyMeX. Dans un premier temps, un cadre unidimensionnel a permis d’appréhender les forçages nécessaires pour reproduire de façon réaliste le développement de la CLAM observée. Cette configuration de référence a permis, dans un second temps, la réalisation d’une simulation haute résolution (Large Eddy Simulation ou LES) d’un épisode de CAO. Cette simulation a été validée à l’aide des données aéroportées et a permis d’approfondir la description du champ turbulent ainsi que l’évolution des structures cohérentes orientées dans l’axe du vent moyen.

Le jury sera composé de :

Rapporteurs:

Yves Brunet (Centre INRA de Bordeaux-Aquitaine, France)

Jean-Luc Redelsperger (LOBS, Paris, France)

Examinateurs:

Sophie Bastin (LATMOS, Paris, France)

Frank Roux (LA, Toulouse, France)

Directeur de thèse:

Pierre-Durand (LA, Toulouse, France)

Guylaine Canut (CNRM, Toulouse, France)