Turbulence et couplages à la surface
Article mis en ligne le 16 octobre 2020
dernière modification le 22 février 2021

Turbulence et couplages à la surface

Les couplages entre l’atmosphère et les surfaces océaniques, continentales ou glacées contrôlent les bilans d’énergie, d’eau, de quantité de mouvement et de nombreux constituants atmosphériques. Ils font intervenir une grande gamme d’échelles spatiales, depuis l’échelle de la conduction moléculaire jusqu’à celles des hétérogénéités du terrain (e.g., relief, couvert végétal sur continents ; vagues, couches de réchauffement diurne sur océans) ou des structures organisées de la couche limite. Ces couplages sont notamment impliqués dans les biais systématiques de température de surfaces observés sur les bords Est des océans tropicaux dans les modèles couplés océan-atmosphère (Hourdin et al. 2015). Les couplages sur les calottes glaciaires, dans des conditions de stabilité atmosphérique souvent extrêmes, contrôlent également en partie le bilan de masse des calottes et donc indirectement l’élévation du niveau de la mer. Sur les continents enfin, les couplages entre l’atmosphère et la surface conditionnent la météorologie ressentie par les populations, tant au quotidien (prévision de la température à 2 m, brouillard) que lors d’événements extrêmes (forts gels, verglas, canicules, sécheresses). Leur bonne représentation est donc un enjeu essentiel bien sûr pour les modèles mais tout autant pour la prévision météorologique, la prévision des risques, ou les études d’impact du changement climatique.

Les modèles impliqués dans le projet, comme la plupart des modèles atmosphériques, partagent les mêmes ingrédients de bases : 1/ des formulations « bulk » à la surface, basées sur une hypothèse de flux constant sur la verticale au voisinage de la surface, 2/ des paramétrisations pronostiques pour certaines quantités turbulentes, notamment l’énergie cinétique turbulente, 3/ un couplage entre la première maille atmosphérique et plusieurs modèles de sous-surfaces (e.g., continents, océans, lacs, différents types de couvert végétal). La prise en compte de ces différents types de surfaces au sein d’une même maille de modèle se fait généralement par un simple calcul de moyenne horizontale.

La plupart de ces ingrédients ont beaucoup évolué au cours des dernières décennies. Cependant, les attentes des utilisateurs des modèles de prévisions et de climat, les exigences en termes de réalisme qui en découlent, ainsi que le raffinement de la résolution verticale nécessitent aujourd’hui une révision, potentiellement profonde, des formulations associées. Pour aller dans cette direction, nous proposons ici de développer deux axes prioritaires :

  1. la revisite des paramétrisations de la diffusion turbulente, notamment avec la question de la représentation des couches limites très stables ;
  2. la prise en compte des effets des hétérogénéités sous maille sur la modélisation des flux à la surface (sur continent comme sur océan), qu’ils soient induits par les hétérogénéités elles-mêmes ou par les circulations méso-échelle générées par ces hétérogénéités (e.g., rafales, thermiques, poches froides, brises, jets, ondes de gravité).