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SOUFFLET

SOUFFLET

Clément Soufflet (LMD)

Titre : Étude des interactions des ondes de montagne piégées avec la couche limite" / "Study of the interactions of trapped mountain waves with the boundary layer

Le 23-11-2020

Membres du jury : 
  • Mme Pascale Bouruet-Aubertot (OCEAN), Présidente du jury
  • Mme Marie Lothon (Laboratoire d’Aérologie), Rapporteur
  • M. Aymeric Spiga (LMD), Examinateur
  • M. Anton Beljaars (ECMWF), Examinateur
  • M. Christophe Millet (CEA DAM), Rapporteur
  • M. Alexandre Paci (CNRM), Invité
  • M. François Lott (LMD), Directeur de thèse
Résumé : 

Les ondes de gravité forcées par les montagnes contribuent de manière significative à la dynamique de l’atmosphère. D’une part, à travers des phénomènes locaux comme lors de l’apparition de violentes rafales de vent sur la pente aval d’un relief, appelées downslope windstorm, pouvant engendrer des dégâts considérables. D’autre part, lorsque ces ondes de gravité peuvent se propager verticalement, elles transportent alors une certaine quantité de mouvement à travers l’atmosphère. Lorsqu’elles déferlent, elles transfèrent cette quantité de mouvement à leur environnement, induisant un forçage dynamique sur l’écoulement de grande échelle, elles contribuent de ce fait à coupler les basses et hautes couches atmosphériques entre elles. Ces forçages dynamiques, appelés traînée orographique (mountain drag), sont en partie responsables de circulations atmosphériques à grande échelle.


Des études antérieures montrent que la prise en compte de ce forçage topographique améliore significativement les prévisions météorologiques. Malgré l’augmentation de la résolution des modèles numériques de prévision du temps, ces forçages topographiques demeurent paramétrés. La construction de ces paramétrisations repose en grande partie sur des études théoriques réalisées dans des cas idéalisés permettant de mieux comprendre la dynamique des ondes de montagne.


Dans ce contexte, ces travaux de thèse ont pour objectifs d’approfondir les connaissances théoriques concernant les interactions entre les écoulements forcés par les montagnes et la couche limite atmosphérique. On s’intéresse ici particulièrement aux ondes de montagne piégées, qui au lieu de se propager verticalement dans l’atmosphère au-dessus du relief, restent confinées à bas niveau et se propagent horizontalement en aval de la topographie.


On montre que, dans le cas linéaire, lorsque le vent incident près de la surface est faible, les ondes piégées ne sont plus induites par un confinement à bas niveau mais sont analogues à des instabilités de Kelvin-Helmholtz. Elles sont alors conditionnées par la stabilité dynamique de l’écoulement près de la surface et favorisées pour des valeurs du nombre de Richardson J < 0.25. L’apparition des ondes piégées apparaît alors fortement liée à la stabilité dynamique de l’écoulement en aval, particulièrement lorsque le vent incident est faible près de la surface.


Ces résultats sont ensuite étendus dans le cas où la dynamique de la couche limite est représentée de manière simplifiée à l’aide d’un coefficient de viscosité constant, les interactions entre la topographie et l’écoulement moyen sont alors évaluées en estimant les flux de quantité de mouvement. Dans ce cas, les ondes piégées exercent une traînée sur l’écoulement moyen à bas niveau cependant celle-ci reste faible comparée à la traînée turbulente due à la dynamique de la couche limite ou à la traînée due aux ondes de gravité non piégées. Enfin, la stabilité de l’écoulement joue de nouveau un rôle central et la transition entre le régime de traînée turbulente, dû à la dynamique de la couche limite, et le régime de traînée orographique, dû aux ondes de gravité se propageant verticalement, apparaît pour J ∼ 1.

English abstract

Gravity waves forced by mountains contribute significantly to the dynamics of the atmosphere. On the one hand, through local phenomena such as downslope windstorms on the lee side of a relief which can cause considerable damage. On the other hand, when these gravity waves can propagate vertically, they transport a certain amount momentum through the atmosphere. When they break, they transfer this momentum to their environment, inducing a dynamical forcing on the large-scale flow, thus contributing to coupling the lower and upper atmospheric layers together. These dynamical forcings, called mountain gravity wave drag, are partly responsible for some large-scale atmospheric circulations.


Previous studies show that considering this topographic forcing significantly improves weather forecasts. Despite the increase in the resolution of numerical weather prediction models, these topographic forcings remain parameterised. The construction of these parameterizations is largely based on theoretical studies carried out in idealized cases allowing a better understanding of mountain wave dynamics.


In this context, the aim of these thesis works is to deepen the theoretical knowledge concerning the interactions between the flows forced by mountains and the atmospheric boundary layer. The focus here is on trapped mountain lee waves, which instead of propagating vertically in the atmosphere above the relief, remain confined at low levels and propagate horizontally downstream of the topography.


It is shown that in the linear case, when the incident wind near the surface is weak, the trapped lee waves are no longer induced by low-level confinement but are analogous to Kelvin-Helmholtz instabilities. They are conditioned by the dynamical stability of the near-surface flow and are favoured for values of the Richardson number J < 0.25. The appearance of trapped lee waves appears to be strongly related to the dynamic stability of the downstream flow, particularly when the incident wind is weak near the surface.


These results are then extended in the case where the boundary layer dynamics are represented in a simplified manner using a constant viscosity coefficient, the interactions between topography and mean flow are then evaluated by estimating momentum flux. In this case, trapped lee waves exert a drag on the mean flow at low levels, but this is small compared to the form drag due to boundary layer dynamics or the drag due to free vertically propagating gravity waves. Finally, flow stability plays again a central role and the transition between the form drag regime and the gravity wave drag regime appears for J ∼ 1.



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