Paramétrisation de la turbulence atmosphérique dans la couche limite stable

Ameliorer la representation de la couche limite stable constitue un des grands challenges de la prevision numerique du temps et du climat. Sa representation est cle pour la prevision du brouillard, du gel des surfaces, des inversions de temperature, du jet de basse couche et des episodes de pollution. De plus, a l’echelle climatique, la hausse de la temperature moyenne globale de l’air en surface impacte davantage les regions polaires : ameliorer la representation de la couche limite stable est un enjeu important pour reduire les incertitudes autour des projections climatiques. Depuis une quinzaine d’annees, les exercices d’intercomparaison de modeles GABLS ont montre que le melange turbulent dans la couche limite stable est generalement surestime par les modeles de prevision du temps. En effet, de nombreux modeles intensifient artificiellement l’activite de leur schema de turbulence afin d’eviter une decroissance inevitable du melange lorsque la stabilite depasse un seuil critique en terme de nombre de Richardson gradient. Ce probleme numerique et theorique n’est pas en accord avec de nombreuses observations et simulations a haute resolution qui montrent une activite turbulente separee en deux regimes : un regime faiblement stable dans lequel l’atmosphere est turbulente de maniere continue et intense, et un regime tres stable dans lequel la turbulence est tres intermittente, anisotrope et faible en intensite. Ces travaux de these s’articulent autour de deux parties dont l’objectif est d’ameliorer la parametrisation de la turbulence dans le modele atmospherique de recherche Meso-NH developpe conjointement par Meteo-France et le Laboratoire d’Aerologie, et dans le modele operationnel AROME. Cette etude utilise une methodologie communement employee dans le developpement de parametrisations qui consiste a comparer des simulations a tres haute resolution qui resolvent les structures turbulentes les plus energetiques (LES) a des simulations uni-colonnes d’un modele meso-echelle. Plusieurs simulations 3D couvrant differents regimes de stabilite de l’atmosphere sont realisees avec Meso-NH. Les limites du modele LES en stratification stable sont documentees. Une premiere partie repond a la problematique de la surestimation du melange dans le regime faiblement stable. Une expression originale pour la longueur de melange est formulee. La longueur de melange est un parametre cle pour les schemas de turbulence associes a une equation pronostique pour l’energie cinetique turbulente. Cette longueur de melange non-locale combine un terme de cisaillement vertical du vent horizontal a une formulation existante qui repose sur la flottabilite. Le nouveau schema est evalue dans des simulations 1D par rapport aux LES d’une part ; et dans le modele operationnel AROME par rapport aux observations de l’ensemble du reseau operationnel de Meteo-France d’autre part. Une deuxieme partie apporte des elements d’evaluation d’un schema combinant deux equations pronostiques pour les energies cinetiques et potentielles turbulentes. En condition stable, le flux de chaleur negatif contribue a la production d’energie potentielle turbulente. L’interaction entre les deux equations d’evolution permet, via une meilleure prise en compte de l’anisotropie et d’un terme a contre gradient dans le flux de chaleur, de limiter la destruction de l’energie turbulente dans les modeles. Dans les cas simules, cette nouvelle formulation ne montre pas un meilleur comportement par rapport a un schema a une equation pour l’energie cinetique turbulente car le mecanisme d’auto-preservation n’est pas dominant par rapport au terme de dissipation. Il conviendra d’ameliorer la parametrisation du terme de dissipation dans le regime tres stable.