Améliorer la représentation de la couche limite stable constitue un des grands challenges de la prévision numérique du temps et du climat. Sa représentation est clé pour la prévision du brouillard, du gel des surfaces, des inversions de température, du jet de basse couche et des épisodes de pollution. De plus, à l'échelle climatique, la hausse de la température moyenne globale de l'air en surface impacte davantage les régions polaires : améliorer la représentation de la couche limite stable est un enjeu important pour réduire les incertitudes autour des projections climatiques. Depuis une quinzaine d'années, les exercices d'intercomparaison de modèles GABLS ont montré que le mélange turbulent dans la couche limite stable est généralement surestimé par les modèles de prévision du temps. En effet, de nombreux modèles intensifient artificiellement l'activité de leur schéma de turbulence afin d'éviter une décroissance inévitable du mélange lorsque la stabilité dépasse un seuil critique en terme de nombre de Richardson gradient. Ce problème numérique et théorique n'est pas en accord avec de nombreuses observations et simulations à haute résolution qui montrent une activité turbulente séparée en deux régimes : un régime faiblement stable dans lequel l'atmosphère est turbulente de manière continue et intense, et un régime très stable dans lequel la turbulence est très intermittente, anisotrope et faible en intensité. Ces travaux de thèse s'articulent autour de deux parties dont l'objectif principal est d'améliorer la paramétrisation de la turbulence dans le modèle atmosphérique de recherche Méso-NH développé conjointement par Météo-France et le Laboratoire d'Aérologie, et dans le modèle opérationnel AROME. Cette étude utilise une méthodologie communément employée dans le développement de paramétrisations qui consiste à comparer des simulations à très haute résolution qui résolvent les structures turbulentes les plus énergétiques (LES) à des simulations uni-colonnes d'un modèle méso-échelle. Plusieurs simulations 3D couvrant différents régimes de stabilité de l'atmosphère sont réalisées avec Méso-NH. Les limites du modèle LES en stratification stable sont documentées. Une première partie répond à la problématique de la surestimation du mélange dans le régime faiblement stable. Une expression originale pour la longueur de mélange est formulée. La longueur de mélange est un paramètre clé pour les schémas de turbulence associés à une équation pronostique pour l'énergie cinétique turbulente. Cette longueur de mélange non-locale combine un terme de cisaillement vertical du vent horizontal à une formulation existante qui repose sur la flottabilité. Le nouveau schéma est évalué dans des simulations 1D par rapport aux LES d'une part ; et dans le modèle opérationnel AROME par rapport aux observations de l'ensemble du réseau opérationnel de Météo-France d'autre part. Une deuxième partie apporte des éléments d'évaluation d'un schéma combinant deux équations pronostiques pour les énergies cinétiques et potentielles turbulentes. En condition stable, le flux de chaleur négatif contribue à la production d'énergie potentielle turbulente. L'interaction entre les deux équations d'évolution permet, via une meilleure prise en compte de l'anisotropie et d'un terme à contre gradient dans le flux de chaleur, de limiter la destruction de l'énergie turbulente dans les modèles. Dans les cas simulés, cette nouvelle formulation ne montre pas un meilleur comportement par rapport à un schéma à une équation pour l'énergie cinétique turbulente car le mécanisme d'auto-préservation n'est pas dominant par rapport au terme de dissipation. Il conviendra d'améliorer la paramétrisation du terme de dissipation dans le régime très stable. / The modeling of the stable atmospheric boundary layer is one of the current challenge faced by weather and climate models. The stable boundary layer is a key for the prediction of fog, surface frost, temperature inversion, low-level jet and pollution peaks. Furthermore, polar regions, where stable boundary layer predominates, are one of the region with the largest temperature rise : the stable boundary layer modeling is crucial for the reduction of the spread of climate predictions. Since more than 15 years, the GABLS models intercomparison exercices have shown that turbulent mixing in the stable boundary layer is overestimated by numerical weather prediction models. Numerous models artificially strengthen the activity of their turbulence scheme to avoid a laminarization of the flow at a critical value of the gradient Richardson number. The existence of this threshold is only a theoretical and a numerical issues. Numerous observations and high-resolution numerical simulations do not support this concept and show two different regimes : the weakly stable boundary layer that is continuously and strongly turbulent; and the very stable boundary layer globally intermittent with a highly anisotropic and very weak turbulence. This thesis aims at improving the turbulence scheme within the atmospheric research model Méso-NH developped by Météo-France and the Laboratoire d'Aérologie, and the operational weather forecast model AROME. We use a traditional methodology based on the comparison of high-resolution simulations that dynamically resolve the most energetic turbulent eddies (Large-Eddy Simulations) to single-column simulations. Several LES covering the weakly and the very stable boundary layer were performed with Méso-NH. The limits of applicability of LES in stratified conditions are documented. The first part of the study deals with the overmixing in the weakly stable boundary layer. We propose a new diagnostic formulation for the mixing length which is a key parameter for turbulence schemes based on a prognostic equation for the turbulent kinetic energy. The new formulation adds a local vertical wind shear term to a non-local buoyancy-based mixing length currently used in Méso-NH and in the French operational model AROME. The new scheme is evaluated first in single-column simulations with Méso-NH and compared to LES, and then in the AROME model with respect to observations collected from the operational network of Météo-France. The second part presents a theoretical and numerical evaluation of a turbulence scheme based on two prognostic equations for the turbulent kinetic and potentiel energies. In stratified conditions, the heat flux contributes to the production of turbulent potential energy. The laminarization of the flow is then limited by a reduction of the destruction of the turbulent kinetic energy by a better representation of the anisotropy and a counter-gradient term in the heat flux. On the simulated cases, this new formulation behaves similarly than the scheme with one equation for the turbulent kinetic energy because the self-preservation mechanism is not dominant compared to the dissipation term. Further research should improve the turbulent kinetic energy dissipation closure in the very stable regime.

La modélisation par simulation des grandes échelles (Large-Eddy Simulation - LES) des processus physiques régissant la couche limite atmosphérique (CLA) demeure complexe de part la difficulté des modèles à capter l'évolution de la turbulence entre différentes conditions de stratification. De ce fait, l'étude LES du cycle diurne complet de la CLA comprenant des situations convectives la journée et des conditions stables la nuit est très peu documenté. La simulation de la couche limite stable où la turbulence est faible, intermittente et qui est caractérisée par des structures turbulentes de petite taille est tout particulièrement compliquée. En conséquence, la capacité de la LES à bien reproduire les conditions météorologiques de la CLA, notamment en situation stable, est étudiée à l'aide du code de mécanique des fluides développé par EDF R&D, Code_Saturne. Dans une première étude, le modèle LES est validé sur un cas de couche limite convective quasi stationnaire sur terrain homogène. L'influence des modèles sous-maille de Smagorinsky, Germano-Lilly, Wong-Lilly et WALE (Wall-Adapting Local Eddy-viscosity) ainsi que la sensibilité aux méthodes de paramétrisation sur les champs moyens, les flux et les variances est discutées. Dans une seconde étude le cycle diurne complet de la CLA pendant la campagne de mesure Wangara est modélisé. L'écart aux mesures étant faible le jour, ce travail se concentre sur les difficultés rencontrées la nuit à bien modéliser la couche limite stable. L'impact de différents modèles sous-maille ainsi que la sensibilité au coefficient de Smagorinsky ont été analysés. Par l'intermédiaire d'un couplage radiatif réalisé en LES, les répercussions du rayonnement infrarouge et solaire sur le jet de basse couche nocturne et le gradient thermique près de la surface sont exposées. De plus l'adaptation de la résolution du domaine à l'intensité de la turbulence et la forte stabilité atmosphérique durant l'expérience Wangara sont commentées. Enfin un examen des oscillations numériques inhérentes à Code_Saturne est réalisé afin d'en limiter les effets

Les vallées alpines urbanisées sont régulièrement soumises à des épisodes de pollution aux particules fines, en particulier sous des conditions hivernales anticycloniques. Ces épisodes se développent du fait de la conjonction de l'augmentation des émissions et de la stratification de l'atmosphère qui inhibe le mélange vertical et isole l'atmosphère de vallée de la dynamique de grande échelle. Le transport des polluants devient alors principalement piloté par les écoulements locaux d'origine thermique. Ces écoulements se caractérisent par une forte dépendance aux spécificités locales de la zone et sont difficiles à représenter dans les modèles numériques de prévision du temps, tout comme les conditions stables qui les accompagnent. L'amélioration de la prévision des situations de pollution hivernale en zone de montagne nécessite donc une meilleure compréhension de la dynamique locale en condition stable. Cette thèse s'inscrit dans ce contexte et vise à améliorer la compréhension de la structure des circulations locales à l'échelle de la vallée. Pour cela, l'étude s'appuie sur les données acquises lors de la campagne Passy-2015 et sur des simulations numériques haute résolution réalisées avec le modèle Méso-NH. La campagne s'est déroulée durant l'hiver 2014-2015 dans le bassin de Passy, situé à proximité du Mont-Blanc et à la confluence de trois vallées. Les concentrations en PM10 observées dans ce bassin excédent régulièrement les seuils réglementaires et montrent des hétérogénéités marquées au sein du bassin et avec les vallées adjacentes. L'étude de la dynamique met en évidence le rôle des circulations locales vis-à-vis des disparités dans la distribution spatiale des polluants. En particulier, les écoulements dans le bassin sont organisés selon différentes strates et génèrent des niveaux de ventilation hétérogènes. En journée, les échanges de masse s'opèrent de manière préférentielle entre les segments de vallée les plus ensoleillés. [...] / Air quality issues are frequent in urbanized valleys, particularly in wintertime under anticyclonic conditions. Pollution episodes occur due to the combination of increased emissions and atmospheric stratification that inhibits vertical mixing and isolates the valley atmosphere from large-scale dynamics. The transport of pollutants then becomes mainly driven by local thermally driven flows that largely depend on local characteristics and are difficult to represent in numerical weather prediction models. Improving the forecasting of winter pollution situations in mountain areas therefore requires a better understanding of local dynamics under stable conditions. This thesis fall within this objective and aims at improving the understanding of local wind dynamics at valley scale. It is based on high-resolution numerical simulations performed with Méso-NH and data from the Passy-2015 field experiment that took place during the winter of 2014-2015 within the Passy basin, located near Mont-Blanc and at the confluence of three valleys. The PM10 concentrations observed in this basin regularly exceed the regulatory thresholds and show marked heterogeneities within the basin and with adjacent valleys. The wind dynamics study highlights local flow characteristics that are consistent with the PM10 heterogeneities observed within the valley. In particular, flows within the basin show a stratified structure and give rise to heterogeneous ventilation levels. During the day, mass exchanges preferentially occur between the sunniest valley sections. At night, the convergence of flows from tributary valleys, along with the local orography, induces a very heterogeneous flow structure on the vertical and horizontal in the Passy basin. These characteristics tend to reduce ventilation in the basin especially in the eastern sector, which is also the most polluted sector during wintertime episodes. As spring approaches, the increase of solar radiation balances inter-valley mass exchanges, thus reducing pollutant accumulation within the basin. The analysis of mechanisms controlling local circulations underlines the importance of fine scale characteristics of topography and surface (snow cover) that determine the distribution of energy received at the surface.

La modélisation par simulation des grandes échelles (Large-Eddy Simulation - LES) des processus physiques régissant la couche limite atmosphérique (CLA) demeure complexe de part la difficulté des modèles à capter l'évolution de la turbulence entre différentes conditions de stratification. De ce fait, l'étude LES du cycle diurne complet de la CLA comprenant des situations convectives la journée et des conditions stables la nuit est très peu documenté. La simulation de la couche limite stable où la turbulence est faible, intermittente et qui est caractérisée par des structures turbulentes de petite taille est tout particulièrement compliquée. En conséquence, la capacité de la LES à bien reproduire les conditions météorologiques de la CLA, notamment en situation stable, est étudiée à l'aide du code de mécanique des fluides développé par EDF R&D, Code_Saturne. Dans une première étude, le modèle LES est validé sur un cas de couche limite convective quasi stationnaire sur terrain homogène. L'influence des modèles sous-maille de Smagorinsky, Germano-Lilly, Wong-Lilly et WALE (Wall-Adapting Local Eddy-viscosity) ainsi que la sensibilité aux méthodes de paramétrisation sur les champs moyens, les flux et les variances est discutées. Dans une seconde étude le cycle diurne complet de la CLA pendant la campagne de mesure Wangara est modélisé. L'écart aux mesures étant faible le jour, ce travail se concentre sur les difficultés rencontrées la nuit à bien modéliser la couche limite stable. L'impact de différents modèles sous-maille ainsi que la sensibilité au coefficient de Smagorinsky ont été analysés. Par l'intermédiaire d'un couplage radiatif réalisé en LES, les répercussions du rayonnement infrarouge et solaire sur le jet de basse couche nocturne et le gradient thermique près de la surface sont exposées. De plus l'adaptation de la résolution du domaine à l'intensité de la turbulence et la forte stabilité atmosphérique durant l'expérience Wangara sont commentées. Enfin un examen des oscillations numériques inhérentes à Code_Saturne est réalisé afin d'en limiter les effets / Large-eddy simulation (LES) of the physical processes in the atmospheric boundary layer (ABL) remains a complex subject. LES models have difficulties to capture the evolution of the turbulence in different conditions of stratification. Consequently, LES of the whole diurnal cycle of the ABL including convetive situations in daytime and stable situations in the night time is seldom documented. The simulation of the stable atmospheric boundary layer which is characterized by small eddies and by weak and sporadic turbulence is espacialy difficult. Therefore The LES ability to well reproduce real meteorological conditions, particularly in stable situations, is studied with the CFD code developed by EDF R&D, Code_Saturne. The first study consist in validate LES on a quasi-steady state convective case with homogeneous terrain. The influence of the subgrid-scale models (Smagorinsky model, Germano-Lilly model, Wong-Lilly model and Wall-Adapting Local Eddy-viscosity model) and the sensitivity to the parametrization method on the mean fields, flux and variances are discussed.In a second study, the diurnal cycle of the ABL during Wangara experiment is simulated. The deviation from the measurement is weak during the day, so this work is focused on the difficulties met during the night to simulate the stable atmospheric boundary layer. The impact of the different subgrid-scale models and the sensitivity to the Smagorinsky constant are been analysed. By coupling radiative forcing with LES, the consequences of infra-red and solar radiation on the nocturnal low level jet and on thermal gradient, close to the surface, are exposed. More, enhancement of the domain resolution to the turbulence intensity and the strong atmospheric stability during the Wangara experiment are analysed. Finally, a study of the numerical oscillations inherent to Code_Saturne is realized in order to decrease their effects

Cette thèse est dédiée à la caractérisation des vents descendants de vallée en terrain complexe d'orographie modérée à moyenne latitude, dans le contexte de la réglementation des rejets atmosphériques de Cadarache. Cadarache est un des centres de recherche du "Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives" (CEA), installé dans une petite vallée (CV) confluente à la vallée de la Durance (DV). Ces deux vallées se distinguent par leur taille, et sont le siège d'écoulements aux caractéristiques différentes en stratification stable. Un forçage synoptique faible associé à un ciel dégagé sont dans la région des conditions fréquentes qui favorisent la stabilité atmosphérique et consécutivement la mauvaise dispersion des polluants, faisant de cette situation un sujet d'intérêt majeur. La campagne de mesure KASCADE (KAtabatic winds and Stability over CAdarache for Dispersion of Effluents) constitue le volet expérimental de l'étude. Réalisée pendant l'hiver 2013 elle a couvert 3 mois d'observation continue et complétée de 23 périodes d'observation intensive (POI). L'analyse montre que les écoulements descendant les vallées de Cadarache (CDV) et de la Durance (DDV) dominent pendant toute la période d'étude. La stabilité s'installant dès le coucher du soleil, le courant CDV s'épaissit progressivement. Le profil de vent en forme de jet présente son maximum à environ 30 m où il atteint 2 à 3 m s-1. Il se maintient toute la nuit et disparaît avec l'inversion de stabilité. Comme la station météorologique du centre manque de capteur de vent dans la CV même, une méthode a été développée pour diagnostiquer le CDV en exploitant l'instrumentation actuelle. Ainsi, si la prévision de ce vent n'est pas à la portée du modèle méso-échelle WRF avec une résolution kilométrique, cette méthode le permet en combinant une descente d'échelle dynamique et statistique. Le vent DDV est identifié comme un vent qui suit l'axe de la vallée, fortement corrélé à la stabilité à l'échelle régionale car il n'apparaît que la nuit lorsque le forçage synoptique est faible. Ce vent n'arrive à Cadarache que 6 à 9 heures après le coucher du soleil avec une grande variabilité. D'un autre côté, il est à son maximum au lever du soleil avant que les processus convectifs ne démarrent, et présente un jet autour de 200 m avec des vitesses de 4 à 8 m s-1 et dont la hauteur est corrélée à la profondeur de la vallée. Dans les simulations avec WRF, malgré des défauts, la DV étant bien résolue avec une maille de 1 km, l'occurrence de ce vent est assez bien simulée. Par ailleurs l'examen de ses caractéristiques spatiales montre qu'il s'agit soit d'un écoulement de drainage, soit d'un écoulement canalisé forcé. Bien qu'on ne dispose pas de données suffisantes pour élucider le mécanisme dominant de déclenchement du vent DDV, les deux précédemment identifiés sont de bons candidats. / Stable stratification can be one of the most penalizing condition concerning pollutants in the atmospheric boundary layer. Over complex terrain under these conditions, the relief may modify the flow. Therefore the knowledge of down-valley wind characteristics influencing the wind field at Cadarache and its close surroundings is crucial for safety regulation in the context of sanitary impact of the site. Cadarache is a CEA research centre and located in the Prealps of southeast France. It is embedded in a small valley, the Cadarache Valley (CV), which is one of the tributaries of the larger Durance Valley (DV). The two valleys are distinct in size and therefore react differently to stable conditions, and are investigated by means of observations (field experiment KASCADE : KAtabatic winds and Stability over CADarache for Dispersion of Effluents) and simulations (the Weather Research and Forecasting (WRF) model). To investigate the valley wind behaviour, the KASCADE campaign has been designed and conducted in the winter of 2013, covering a 3-month period and 23 intensive observation periods (IOP). It resulted in a well-documented campaign, from which the analysis shows that the Cadarache and Durance down-valley (CDV and DDV respectively) winds are both dominant flows during the period of investigation. The CDV wind is a thermally driven flow, with regular wind speeds up to 2 - 3 m s-1 up to 50 m agl. It persists throughout the night and disappears in the early morning with the stability. The current observational network of Cadarache lacks means of measurement for inside CDV wind. This work shows that it can be nowcasted from available meteorological tower observations. Due to the CV small scale, currently a wind forecast on kilometer resolution is out of reach, but the methodology developed here can be used to forecast the wind through a combination of dynamical and statistical downscaling. The DDV wind has been recognized as down-valley oriented, and strongly related to stability at a regional scale, as it exists only after sunset when synoptic forcing is very weak. DDV wind arrival at Cadarache is mostly observed 6 to 9 hours after sunset, but however dominantly present around sunrise, when convectively driven processes are not yet established. Jets are observed mostly at around 200 m agl with wind speeds between 4 and 8 m s-1. Despite some (general) deficiencies of the WRF model, the DDV wind is simulated close to reality thanks to the 1-km resolution allowing a correct representation of the Durance valley orography. The ensemble of 23 simulated IOPs allowed further to characterize the flow in a spatial sense and to recognize drainage and flow channelling as most important candidates for the flow mechanism.