Analyse des processsus physiques à partir de données expérimentales

Les données expérimentales peuvent être soit mesurées directement dans l’atmosphère, pendant des campagnes de mesures dédiées à un phénomène spécifique, ou en laboratoire, si le phénomène que l’on veut étudier peut être reproduit en veine hydraulique ou soufflerie.

Par exemple, la campagne TRAC98 a eu lieu en Beauce et a permis d’analyser et de recueillir des données sur les organisations turbulentes présentes en convection forcée (rouleaux, cellules). De telles données sont maintenant utilisées pour construire des simulations numériques (voir ci-dessous) pour avancer sur la question de la représentation de ces structures dans les modèles.

campagne TRAC 1998

Un autre exemple est l’expérience en veine hydraulique réalisée par Tomas et al 2010 (utilisant la technique PIV d’imagerie de particules). Cette étude réalisée dans la veine hydraulique a pour but d’analyser comment se développe une couche limite neutre sur une surface rugueuse. Elle a permis de mesurer des quantités turbulentes au sein de l’écoulement, mais aussi les termes de création/destruction pour chacucne des quantités turbulente mesurée (la figure ci-dessous présente par exemple les différents termes de l’équation d’évolution de la variance de vent horizontal).

veine hydraulique du CNRM-GAME, expérience de Tomas et al 2010	technique PIV (Tomas et al 2010)
Vent vertical à l’endroit où la rugosité commence	observation expérimentale des termes de l’équation de variance du vent du’²/dt

 Simulations numérique de la turbulence (Large Eddy simulations, LES)

Le CNRM-GAME a acquis une expertise en modélisaiton à haute résolution des tourbillons turbulents (LEs en anglais). Divers types de couche limite ont ainsi été modélisées avec le modèle de recherche MesoNH :

• Couches limites convectives. Les LES permettent d’étudier les structures des thermiques, ces courants d’air chaud ascendants qui structurent lla turbulence dans le premier kilomètre de l’atmosphère les jours chauds sans vent.Fleur Couvreux au CNRM (Couvreux et al 2005) a analysé comment l’air sec d’au dessus de la couche limite est incorporé dans c elle-ci et comment il contribue à la turbulence.

• De petits cumulus peuvent surplomber la couche limite, que ce soit au dessus des océans (campagnes BOMEX and RICO) ou sur terre (on peut citer par exemple la campagne ARM sur les grandes plaines américaines). Les LES servent à comprendre les liens entre les thermiques secs dans la couche limite (influencés éventuellement par le vent) et les cumulus au-dessus. Une telle analyse a permis de développer une nouvelle paramétrisation de la convection peu profonde (Pergaud et al 2009).

• Les stratocumulus océaniques mettent en jeu des couplages complexes entre différents processus : aérosols, bruine, turbulence, tout au long de leur cycle de vie, jusqu’à la dissipation éventuelle du nuage. Sandu et al (2008) a montré à partir de LES qu’une couche limite plus polluée limite la bruine (conformément à ce que l’on attend d’après la littérature), mais augmente aussi l’entrainement turbulent avec l’air au dessus pendant la journée, conduisant au bout de 2 jours à un nuage plus fin que s’il y avait eu de la bruine ! Ceci remet en question les paramétrisations habituelles de l’effet indirect des aérosols.

• Dans les couches limites neutres, à partir d’une LES à 6m de résolution, Drobinski et al 2007, en collaboration avec le CNRM-GAME, a analysé la structure de la turbulence près de la surface.

• Les couches nocturnes et des cas de brouillard sont aussi simulées, avec des résolutions horizontales de 2m, nécessaires pour simuler la turbulence interne du brouillard.

Exemple de champ turbulent dans une simulation LES : thermiques (vitesse verticale, en bleu) dans une couche limite convective diurne. La surface rouge à la base représente l’air chaud chauffé en surface initiant les thermiques, et celle au sommet situe l’inversion de température au sommet de la couche limite.