This thesis addresses the problem of understanding and quantifying the variability of the atmosphere over wide ranges of space-time scales. We present empirical tests of a scaling model, the 23/9D model, which is an intermittent and anisotropic generalization of classical laws of turbulence - such as the Kolmogorov law - which describes how the statistical properties of atmospheric fields vary with spatial scales. We first address this problem for vertical sections for which there is still an ongoing debate about the nature of atmospheric dynamics: whether it is isotropic with a break in the horizontal scaling or anisotropic, but in a scaling manner. We make the first direct estimate of the joint horizontal-vertical structure function using wind velocity data measured on 14500 aircraft flights segments and demonstrate that it strongly supports the 23/9D model. We also study the consequences of this spatial anisotropy for the full horizontal space-time statistics. By considering that small structures are advected by larger turbulent ones and by considering averages over the latter, we theoretically obtain scale functions (which are generalizations of the notion of scale) which allow us to estimate structure functions and spectra. We test these predictions using geostationary satellite infrared data over the range 5 km to ~10000 km, 1 hour to 2 months. We found that our model could accurately reproduce the 3D (kx, ky, ω) spectral density over the range 1 hour to ~ 4 days and 30 km to ~5000 km. To obtain a more complete description of the statistics, we also found that our model accurately describes atmospheric radiance turbulent flux statistics (including infrared and passive microwave imagery over scale ranges of 100 km to 20000 km, 1 day to 1 year) with only small deviations at small and large scales. We finally show how to include atmospheric waves considered as strongly nonlinear phenomenon driven by turbulent fluxes and constrained by scaling symmetry, thus extending the 23/9D model. The theoretical development proposed is based on an effective turbulence - wave propagator which corresponds to a fractional and anisotropic extension of the classical wave equation propagator with dispersion relation similar to those of inertial gravity waves (and Kelvin waves) yet with anomalous (fractional) order Hwav/2. Using geostationary MTSAT IR radiances, we estimated the parameters finding that Hwav ≈0.17 (the classical value =2). / Cette thèse s'intéresse au problème de comprendre et de quantifier la variabilité de l'atmosphère sur de grandes gammes d'échelles spatio-temporelles. Nous présentons des tests empiriques d'un modèle ''scaling'', le modèle 23/9D, qui est une généralisation intermittente et anisotrope des lois classiques de la turbulence - telle la loi de Kolmogorov - qui décrivent comment les propriétés statistiques des champs atmosphériques varient avec l'échelle spatiale. Nous abordons d'abord le problème pour des sections verticales par rapport auxquelles un débat sur la nature de la dynamique atmosphérique continue toujours: l'atmosphère est-il isotrope avec une brisure de symetrie d'échelle dans l'horizontal ou est-il décrit par une symétrie d'échelle, mais anisotrope ? Nous présentons le premier estimé direct de la fonction structure horizontale-verticale sur des vitesses de vent mesurées sur 14500 segments de vols d'avions et démontrons qu'elle supporte fortement le modele 23/9D. Nous étudions également les conséquences de cette symétrie d'échelle anisotrope sur les statistiques dans l'espace horizontal-temporel. En considérant que les plus petites structures turbulentes sont "advectées" par les plus grosses et en considérant un moyennage sur ces dernières, nous obtenons une forme théorique pour la fonction d'échelle (qui est une généralisation de la notion d'échelle), ce qui nous permet d'estimer les fonctions structure et les spectres. Nous testons ensuite ces prédictions à l'aide de données de rayonnement infrarouge prises par des satellites geostationnaires sur l'intervalle 5 km ~ 10000 km, 1 h ~2 mois. Nous avons trouvé que notre modèle pouvait précisement reproduire la densité spectrale 3D (kx, ky, ω) sur l'intervalle 1 h à ~ 4 jours et 30 km à ~5000 km. Afin d'obtenir une description statistique plus complète, nous avons également trouvé que notre modèle décrit précisement les statistiques des flux turbulents de rayonnements atmosphériques (dans l'infrarouge et pour les micro-ondes passives sur la gamme d'échelles 100 km a 20000 km, 1 jour a 1 an) avec seulement de légères déviations à petites et grandes échelles. Finalement, nous démontrons comment inclure les ondes atmosphériques, considerées ici comme un phénomène fortement non-linéaire dirigé par les flux turbulents et contraint par la symétrie d'échelle; étendant donc le modèle 23/9D. Les développements théoriques présentes sont basés sur un propagateur effectif turbulence-ondes qui correspond a une extension fractionnaire et anisotrope du propagateur de l'équation d'ondes classique avec une relation de dispersion similaire à celle des ondes gravitationnelles inertielles (et des onde sde Kelvin), mais d'ordre anormal (fractionnaire) = Hwav/2 . À l'aide de données infrarouge du satellite géostationnaire MTSAT, nous avons estimé les paramètres du modèle, trouvant Hwav ≈0.17, (la valeur classique étant =2).
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.117089 |
| Date | January 2013 |
| Creators | Pinel, Julien |
| Contributors | Shaun MacDonald Lovejoy (Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Physics) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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