Structure de la turbulence atmosphérique à proximité de la surface
Résumé
Understanding the structure of turbulence in the surface layer of the atmosphere is crucial for improving weather prediction. In this work, we rely on turbulence measurements collected by the sonic anemometers Observatory SIRTA and numerical simulations (large eddy simulations) in 3-D using the ARPS model taking into the interactions vegetation-atmosphere, to study the structure of atmospheric turbulence for different surface types (field, forest, buildings). Turbulence is approached statistically, with the calculation of mean variables such as turbulent flow, momentum and heat, or turbulent kinetic energy, and deterministically. In the latter case, we use a method of detecting coherent structures based on wavelet transform, to determine their properties such as their frequency of occurrence or their relative contribution to turbulent flow. The results of this thesis mainly show that despite the impact of complex terrain on the mean variables that are of turbulence flows or turbulent kinetic energy, the important properties of coherent structures (frequency of occurrence, duration and separation time, contribution to flow ...) appear independent of the terrain. This is because the coherent structures detected from time series of temperature and vertical velocity are representative of the active turbulence adjusts quickly to local conditions of the surface.
La compréhension de la structure de la turbulence dans la couche de surface de l'atmosphère est cruciale pour l'amélioration de la prédiction du temps. Dans ce travail de thèse, nous nous appuyons sur des mesures de turbulence collectées par les anémomètres soniques de l'observatoire du SIRTA et sur des simulations numériques ("large eddy simulations") en 3-D à l'aide du modèle ARPS prenant en compte les interactions végétation/atmosphère, pour étudier la structure de la turbulence atmosphérique pour différents types de surface (champ, forêt, bâtiments). La turbulence est abordée de manière statistique, avec le calcul des variables moyennes telles que les flux turbulents, de quantité de mouvement et de chaleur, ou encore l'énergie cinétique turbulente, et de manière déterministe. Dans ce second cas, nous utilisons une méthode de détection des structures cohérentes, basée sur une transformée en ondelettes, afin de déterminer leurs propriétés telles que leur fréquence d'occurrence ou encore leur contribution relative aux flux turbulents. Les résultats de ce travail de thèse montrent principalement que malgré l'impact important de la complexité du terrain sur les variables moyennes de la turbulence que sont les flux ou l'énergie cinétique turbulente, des propriétés majeures des structures cohérentes (fréquence d'occurrence, durée et temps de séparation, contribution aux flux...) apparaissent indépendantes de la nature du terrain. Ce résultat est dû au fait que les structures cohérentes détectées à partir des séries temporelles de la température ou de la vitesse verticale sont représentatives de la turbulence active qui s'ajuste rapidement aux conditions locales de la surface.
Domaines
Sciences de l'ingénieur [physics]
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