Note publique d'information : Cette thèse est une contribution à la compréhension des écoulements de vallée dans
des conditions de stratifications stables. Ces conditions sont pressantes pour les
problèmes de qualité de l'air car le mélange et la dispersion des composés émis près
de la surface sont fortement réduits. De plus, la topographie joue un rôle majeur
même à l'échelle locale, rendant difficile la simulation des écoulements avec des
modèles météorologiques numériques. La région étudiée comme cas d'application est
la vallée de Cadarache (CV), dans le sud-est de la France, et accueille un centre
de recherche du CEA. Les travaux précédents sur les écoulements dans cette région
étaient basés sur les campagnes de terrain KASCADE et ont réussi à établir une plateforme
de simulation numérique avec le modèle WRF. Jusqu'à présent, le modèle était capable
de prévoir les écoulements dans la vallée de la Durance, mais ses vallées tributaires
plus petites, comme la CV, restaient non résolues, nécessitant une approche statistique
pour leur description pertinente mais limitée. Cette thèse explore les moyens d'améliorer
la description des écoulements dans ces petites vallées, en se basant sur des simulations
aussi fines que 111 m de résolution horizontale, ainsi que l'amélioration de la représentation
de la couverture terrestre (LC) dans le modèle WRF. Le jeu de données Corine Land
Cover (CLC) s'est révélé être une excellente représentation de l'occupation du sol
en Europe grâce à son grand nombre de classes et à sa résolution spatiale fine, mais
il n'est pas encore totalement compatible avec WRF. Pour mieux intégrer CLC dans le
modèle, j'ai introduit une nouvelle table pour les catégories de couverture terrestre
et développé une nouvelle méthode d'agrégation pour éviter les erreurs provenant de
la diversité des classes. La comparaison de cette méthode avec une agrégation conventionnelle
montre un décalage qui dépend de la résolution horizontale de la simulation et révèle
que les nouveaux paramètres de la table et la méthode d'agrégation apportent une amélioration
globale des simulations numériques. J'ai ensuite commencé la construction d'une simulation
WRF à résolution fine sur la région de Cadarache. Une période d'observation de la
deuxième campagne KASCADE a été simulée sur cinq domaines imbriqués, avec des résolutions
allant de 9 à 0,111 km. Cette simulation montre une réelle amélioration par rapport
aux simulations à 1 km précédemment disponibles, puisque le vent de bas niveau dans
le CV se compare maintenant de manière satisfaisante aux observations. Cependant,
une étude plus approfondie montre que la stabilité dans la CV est plus faible dans
la simulation que dans les observations, ce qui est lié aux flux de pente et à une
perturbation advectée causée par un vent à grande échelle mal programmé. Néanmoins,
le modèle parvient à simuler des flux non résolus auparavant. Une enquête plus approfondie
a été menée en libérant des traceurs à différents endroits du domaine de simulation.
L'analyse de leurs panaches révèle la complexité des interactions entre les différents
vents de basse altitude dans la région. Comme prévu, le grand flux de la vallée de
la Durance domine et force les autres flux dans les vallées tributaires. Cependant,
ce forçage varie le long de la nuit, faisant que les flux locaux se comportent de
manière inattendue et prennent parfois des routes imprévues pour quitter le domaine
de simulation le plus fin.
Note publique d'information : This thesis is a contribution to the understanding of atmospheric valley flows under
conditions of stable stratification. These conditions are pressing for air quality
concerns because the mixing and dispersion of compounds emitted close to the ground
level are strongly reduced. Furthermore, the topography plays a major role even at
a local scale, making the flow simulation with numerical weather models difficult.
The region studied as an application case is the Cadarache Valley (CV), in southeastern
France that hosts a French atomic commission research center. Previous work on the
flows in this area was based on the KASCADE field campaigns and managed to establish
a numerical simulation platform with the WRF model. Up to now, the model was able
to forecast the flows in the Durance valley, but its smaller tributary valleys, such
as the CV, remained unresolved, necessitating a statistical approach for their relevant
but limited description. This thesis explores ways to improve flow descriptions in
these smaller valleys, based on simulations as fine as 111 m horizontal resolution,
as well as the improvement of the land cover (LC) representation in the WRF model.
The Corine Land Cover (CLC) dataset has proven to be an excellent representation of
the land cover over Europe thanks to its large number of classes and its fine spatial
resolution, but it is not yet fully compatible with WRF. To better integrate CLC into
the model, I introduced a new table for land cover categories and developed a new
aggregation method to prevent errors originating from the diversity in classes. Comparing
this method with a conventional aggregation shows a mismatch that depends on the horizontal
resolution of the simulation and reveals that both the new table parameters and the
aggregation method bring an overall improvement of numerical simulations. Then I started
the building of a fine-resolution WRF simulation over the Cadarache region. An observation
period of the second KASCADE campaign was simulated on five nested domains, with resolutions
ranging from 9 to 0.111 km. This simulation shows a real improvement compared to the
previously available 1 km simulations since the low-level wind in the CV now satisfactorily
compares to the observations. However, further investigation shows that the stability
within the CV is weaker in the simulation than in the observations, which relates
to slope flows and an advected disturbance caused by a wrongly timed large-scale wind.
Nonetheless, the model manages to simulate previously unresolved flows. Further investigation
was performed through the release of tracers from various locations in the simulation
domain. The analysis of their plumes reveals the complexity of interactions between
the different low-level winds within the region. As expected, the large Durance Valley
flow dominates and forces the flows in the tributary valleys. However, this forcing
varies throughout the night, making the local flows behave unexpectedly and sometimes
take unforeseen routes.
paprika.idref.fr
data.idref.fr
Documentation
