Le but de ce projet est d'améliorer la représentation numérique des processus turbulents de couche limite stable (CLS) sur l'océan Arctique dans le modèle Global Environnemental Multi-échelles (GEM). L'expérience numérique réalisée consiste à simuler le climat observé durant la campagne SHEBA d'un an sur un petit domaine régional à haute résolution (110 x 120 @ 0,5 degré) centré sur la mer de Beaufort. Dans la simulation de contrôle effectuée avec la version non modifiée de GEM, le modèle surestime systématiquement le vent de surface Ūr, la vitesse de friction u* et le flux de chaleur latente (HL) qui est 6 fois trop intense l'été en comparaison des valeurs observées au point SHEBA. De plus, le modèle n'arrive pas à simuler les vents faibles observés (Ūr < 1,6 m/s) et manifeste un biais sec persistant dans la CLS durant toute l'année. En comparant la fonction de stabilité utilisée dans GEM øGEM avec les observations de la campagne SHEBA, on remarque que ce paramétrage mène à une surestimation du mélange turbulent en stratification très stable (RiB > 10¯²) qui pourrait expliquer une partie des erreurs du modèle. L'implémentation d'une fonction de stabilité dérivée à partir des observations de SHEBA øSHEBA dans la simulation de sensibilité A a permis d'améliorer Ūr et u* dans le modèle GEM. La longueur de rugosité de la glace de mer utilisée dans le modèle GEM zo,GEM = 0,16 mm aussi ne correspond pas aux observations de la campagne SHEBA. En fait, l'unique paramètre zo,GEM utilisé par GEM est trop faible pour le transfert de quantité de mouvement et trop grande pour le transfert de chaleur et d'humidité. L'implémentation des longueurs de rugosité observées à SHEBA (zom,SHEBA et zoh,SHEBA) dans la simulation de sensibilité B a amélioré Ūr simulé. Le vent minimal Ūmin = 2,5 m/s est un autre paramètre utilisé par GEM qui est susceptible d'être inadéquat pour simuler la CLS. Ce paramètre est utilisé pour éviter une division par zéro par vent faible lors du calcul du nombre de Richardson RiB. En utilisant une valeur plus réaliste de Ūmin = 1,0 m/s dans la simulation de sensibilité C, on arrive à simuler les vents faibles (Ūr < 1,6 m/s) qui n'étaient pas simulés par la version originale du modèle GEM. Dans la simulation D, l'implémentation d'une nouvelle équation diagnostique basée sur l'équation de Clausius-Clapeyron pour qr a éliminé complètement le biais sec dans le modèle. Indirectement, la correction à qr a ramené le HL simulé très près des valeurs observées en réduisant le gradient vertical qr -qs responsable de l'évaporation à la surface. Tous les modèles régionaux participant au projet ARCMIP avaient des défauts semblables (biais sec, HL surestimé et u* trop intense) à ceux du modèle GEM pour une expérience très similaire. Il est donc très probable que l'implémentation des mêmes modifications dans ces modèles soit aussi bénéfique. Il est aussi probable qu'en implémentant ces paramétrages dans les modèles participant au Coupled Model Intercomparison Project (CMIP) ait un effet bénéfique sur l'océan Arctique. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Modélisation du climat arctique, Couche limite atmosphérique, Interaction atmosphère-glace- océan, Paramétrisation physique.

Atmospheric boundary layer flows are characterized by the coexistence of a broad range of scales. These scales cover from synoptic- (100-5000 km) and meso-scales (1-100 km) up to three-dimensional micro-scale turbulence (less than a few kilometers). This multiscale nature inherent to atmospheric flows clearly determines the behaviour of the atmospheric boundary layer, whose structure and evolution are of major importance for the wind energy community. This PhD thesis is focused on the development of a numerical methodology that allows to include contribution from all the above mentioned scales, with the purpose of improving the representation of boundary layer processes. The multiscale numerical methodology is developed based on a numerical weather prediction (NWP) model, the Weather Research and Forecasting (WRF) model.<p><p>Prior to the development of the multiscale numerical methodology, one-year of sonic anemometer and wind LiDAR measurements from the FINO1 offshore platform are analyzed. A comprehensive database of offshore measurements in the lowest 250 m of the boundary layer is developed after quality data check and correction for flow distortion effects by the measurement mast, allowing the characterization of the offshore conditions at FINO1. Spectral analysis of high frequency sonic anemometer measurements is used to estimate a robust averaing time for the turbulent fluxes that minimizes non-universal contributions from mesoscale structures but captures the contribution from boundary layer turbulence, employing the Ogive function concept. A stability classification of the measurements is carried out based on the Obukhov length. Results compare well to other surface layer observational studies while vertical wind speed profiles exhibit the expected stability-dependency.<p><p>Although NWP models have been extensively used for weather forecasting purposes, a comprehensive analysis of its suitability to meet the wind energy requirements needs to be carried out. The applicability of the WRF mesoscale model to reproduce offshore boundary layer characteristics is evaluated and validated against field measurements from FINO1. The ability of six planetary boundary layer (PBL) parameterizations to account for stability effects is analyzed. Overall, PBL parameterizations are rather accurate in reproducing the vertical structure of the boundary layer for convective and neutral stabilities. However, difficulties are found under stable stratifications, due to the general tendency of PBL formulations to be overdiffusive and therefore, not capable to develope the strong vertical gradients found in the observations. A low-level jet and a very shallow boundary layer cases are simulated to provide further insights into the limits of the parameterizations.<p><p>Large-eddy simulations (LES) based on averaged conditions from a convective episode at FINO1 are conducted to understand the mechanisms of transition and equilibration that occur in turbulent one-way nested simulations. The nonlinear backscatter and anisotropy subgrid scale model with a prognostic turbulent kinetic energy equation is found to be capable of providing similar results when performing one-way nested large-eddy simulations to a reference stand-alone domain using periodic lateral boundary conditions. A good agreement is obtained in terms of velocity shear and turbulent fluxes of heat and momentum, while velocity variances are overestimated. A considerable streamwise fetch is needed following each domain transition for appropriate energy levels to be reached at high wavelengths and for the solution to reach quasi-stationary results. A pile-up of energy is observed at low wavelengths on the first nested domain, mitigated by the inclusion of a second nested domain with higher resolution that allows the development of an appropriate turbulent energy cascade.<p><p>As the final step towards developing the multiscale capabilities of WRF, the specific problem of the transition from meso- to micro-scales in atmospheric models is addressed. The challenge is to generate turbulence on inner LES domain from smooth mesoscale inflow. Several new methods are proposed to trigger the development of turbulent features. The inclusion of adequate potential temperature perturbations near the inflow boundaries of the LES domain results in a very good agreement of mean velocity profiles, variances and turbulent fluxes, as well as velocity spectra, when compared to periodic stand-alone simulations. This perturbation method allows an efficient generation of fully developed turbulence and is tested under a broad range of atmospheric stabilities: convective, neutral and stable conditions, showing successful results in all the regimes. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished