Author: Frédéric Mahé
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Languages : fr
Pages : 244
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LA TURBULENCE ATMOSPHERIQUE PEUT LIMITER SERIEUSEMENT LA RESOLUTION DES SYSTEMES D'IMAGERIE, EN PARTICULIER POUR DES SYSTEMES SITUES DANS LA COUCHE LIMITE ATMOSPHERIQUE (CLA). L'OPTIQUE ADAPTATIVE DEVELOPPEE POUR L'ASTRONOMIE SEMBLE ETRE UNE SOLUTION PROMETTEUSE POUR CES APPLICATIONS. DANS CETTE PERSPECTIVE, CE TRAVAIL DE THESE A CONSISTE A MODELISER LE NIVEAU DES FLUCTUATIONS D'INDICE DE REFRACTION DANS LA CLA ET A EVALUER L'IMPACT DES FLUCTUATIONS D'INTENSITE SUR LA MESURE DE FRONT D'ONDE EFFECTUEE PAR UN ANALYSEUR DE HARTMANN-SHACK. DANS UNE PREMIERE PARTIE, LA MODELISATION DES FLUCTUATIONS D'INDICE DE REFRACTION (C 2 N) AVEC LE MODELE ATMOSPHERIQUE MESONH A ETE ETUDIEE. EN EFFET, LA REPARTITION DE LA TURBULENCE OPTIQUE JOUE UN ROLE PRIMORDIAL SUR LE TAUX DE SCINTILLATION. OR LES LOIS DE SIMILITUDE 1D UTILISEES AUJOURD'HUI NE DONNENT ACCES QU'AUX PROFILS DE C 2 N. L'UTILISATION D'UN MODELE METEOROLOGIQUE PERMET DE PRENDRE EN COMPTE LA VARIABILITE SPATIALE DU C 2 N. CES ETUDES SONT EFFECTUEES EN MODE LARGE EDDY SIMULATION (LES) DE FACON A REPRESENTER LA TURBULENCE 3D DE LA COUCHE LIMITE ATMOSPHERIQUE. ELLES MONTRENT L'IMPORTANCE DU SCHEMA SOUS-MAILLE POUR DES APPLICATIONS DE MODELISATION OPTIQUE. LA SIMULATION DE LA COUCHE LIMITE DE SURFACE PAR LES EST EFFECTUEE EN MODIFIANT LE SCHEMA SOUS-MAILLE TURBULENT A L'APPROCHE DU SOL. DANS UNE DEUXIEME PARTIE, L'EFFET DE LA SCINTILLATION SUR L'ANALYSE DE FRONT D'ONDE A ETE EVALUE. CETTE ETUDE EST D'ABORD MENEE DANS LE CAS DES FAIBLES PERTURBATIONS PUIS ETENDUE AU CAS FORTEMENT TURBULENT, PLUS REPRESENTATIF DE LA COUCHE LIMITE ATMOSPHERIQUE. POUR CELA, UNE SIMULATION NUMERIQUE DE LA PROPAGATION OPTIQUE EN ONDE SPHERIQUE A ETE DEVELOPPEE.
Author: Frederic Mahe
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Languages : fr
Pages : 244
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Author: Joris Pianezze
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Languages : fr
Pages : 0
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Les milieux complexes sont une source d'incertitude importante notamment lorsqu'il s'agit de développer des modèles climatique ou météorologique. Le développement de la couche limite atmosphérique à l'intérieur d'une vallée encaissée, incluant des vents de vallée et de pente, n'est, par exemple, pas résolu, ce qui a un impact considérable sur la prévision de la convection, du transport de polluants, etc... La simulation des grandes échelles de la turbulence (SGE) est un outil qui a montré sa capacité à reproduire finement les structures turbulentes dans ce type de contextes au travers des approches idéalisées. L'extension de la SGE aux milieux naturels est réalisée dans cette thèse qui s'articule en trois parties. La première partie présente les équations et les notions nécessaires à la compréhension des problèmes de turbulence dans la couche limite atmosphérique. On s'attache à décrire le cadre des lois issues de la théorie des similitudes et le cadre de la turbulence optique. La seconde partie présente des résultats issus de deux simulations idéales dans lesquelles nous comparons les résultats issus de la simulation avec d'une part les lois issues de la théorie des similitudes et d'autre part les données radar disponible lors de la campagne IHOP. L'utilisation d'un maillage raffinée près du sol permet d'améliorer les profils verticaux des champs turbulents en améliorant la prédiction des gradients à l'interface sol/atmosphère. De plus, le profil de couche limite est bien reproduit par les profils du paramètre de structure des fluctuations de l'indice de réfraction de l'air simulé si on compare avec les résultats issus du radar. Globalement, la dynamique des champs turbulents résolus par le modèle reproduise une dynamique et des ordres de grandeurs corrects conformes à nos attentes. Une fois l'évaluation du modèle effectuée, une simulation a été mise en place autour de la campagne d'observation VOTALP située dans le sud de la Suisse. Cette simulation comprend 5 domaines emboités allant de 16 kms de résolution horizontales pour le plus grand domaine à 100m pour le plus petit domaine. L'important dispositif déployé durant la campagne VOTALP située dans une vallée dans le sud de la Suisse a permis de confronter les résultats issus de la modélisation à haute résolution avec ces données d'observation. Les résultats obtenus ont, entre autre, montré que la simulation à haute résolution est un outil adapté pour l'étude des phénomènes de basses couches et notamment la turbulence optique en milieu complexe.
Author: Anurag Dipankar
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Languages : en
Pages : 135
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Cette thèse traite du couplage de la simulation des grandes échelles (LES) à la propagation des ondes électromagnétiques dans la couche limite atmosphérique. La simulation de la couche limite de convection avec des nuages de faible altitude de type cumulus a été effectuée, et les donnés ont été post-traitées pour la propagation d'ondes électromagnétiques (EM) dans le domaine simulé. La première partie de la thèse porte sur la validation du code LES avec pour trois différentes types de conditions atmosphériques. Les données correspondants à la convection des nuages de faible altitude de type cumulus sont ensuite post-traitées pour obtenir les quantités temporelles d'intérêt pour la modélisation de propagation d'ondes EM. Ces quantités sont les suivantes: la distribution instantanée des indices de réfraction, paramètres locaux de la fonction de structure de l'index de réfraction, échelle caractéristique des structures les plus énergétiques, et échelle caractéristique des échelles dissipatives non résolues. La deuxième partie de la thèse porte sur l'application de ces quantités dans la modélisation de propagation de: ondes radio, ondes optiques, et tourbillons optiques. Une nouvelle méthode a été développée pour étudier la dispersion des ondes radio dans l'atmosphére turbulente. Cette nouvelle méthode établit l' importance des fluctuations des grandes échelles sur les fluctuations de la phase des ondes radio. Il a été démontrée, via des exemples numériques, que le caractére instationnaire de ces quantités influesur la propagation des ondes optiques.
Author: Jana Kordova-Vyhnalikova
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Languages : en
Pages : 233
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CE MEMOIRE CONCERNE LA DISPERSION TURBULENTE DE PARTICULES LOURDES AU SEIN D'UNE COUCHE LIMITE TURBULENTE. POUR CE FAIRE, UN MODELE EULERIEN D'ECOULEMENT PORTEUR A ETE COUPLE A UNE APPROCHE LAGRANGIENNE DE TRAJECTOGRAPHIE. LA PREMIERE ETAPE DANS L'ETUDE DU COMPORTEMENT DISPERSIF DE PARTICULES EST DE DISPOSER D'UNE DESCRIPTION SUFFISAMMENT PRECISE DE L'ECOULEMENT PORTEUR. LE MODELE EULERIEN PIAPBLM EST CONCU POUR SIMULER LES ECOULEMENTS TURBULENTS DE TYPE COUCHE LIMITE ATMOSPHERIQUE. CE MODELE A ETE MODIFIE POUR DECRIRE L'ECOULEMENT DE LA COUCHE LIMITE CLASSIQUE. IL A ETE COMPLETE PAR DES RELATIONS ALGEBRIQUES DEDUITES D'UNE FERMETURE AU SECOND ORDRE POUR PRENDRE EN COMPTE L'ANISOTROPIE DU FLUIDE PORTEUR ET POUR DECRIRE L'ECOULEMENT DE LA SOUS-COUCHE VISQUEUSE ET DE LA ZONE DE TAMPON. LA DEUXIEME ETAPE DE CETTE ETUDE CONCERNE LE MODELE DE TRAJECTOGRAPHIE UTILISANT UNE APPROCHE STATISTIQUE POUR LA PREDICTION DES CARACTERISTIQUES DE LA PHASE DISPERSEE. LES MODIFICATIONS APPORTEES AU MODELE CONCERNE LA SIMULATION DE LA PARTICULE FLUIDE EN RESOLVANT L'EQUATION DE LANGEVIN, LA FORCE DE PORTANCE DUE AU CISAILLEMENT, L'INFLUENCE DE LA PROXIMITE DE LA PAROI ET LES COLLISIONS PARTICULE-PAROI. LE MODELE EULERIEN-LAGRANGIEN A ETE VALIDE EN COMPARANT SES RESULTATS A CEUX D'UNE EXPERIENCE RECENTE REALISEE DANS UNE SOUFFLERIE DE TYPE EIFFEL. LES PROFILS SIMULES DE LA VITESSE MOYENNE DU FLUIDE SONT EN ACCORD AVEC LES PROFILS EXPERIMENTAUX. ON A OBSERVE L'INFLUENCE DE LA FACON DE SIMULER LA PARTICULE FLUIDE (LIEE AVEC LE PROBLEME DE LA TURBULENCE VUE PAR LA PARTICULE LOURDE) SUR LES PROFILS DE VITESSE MOYENNE ET DES ECARTS-TYPES DE LA VITESSE FLUCTUANTES DES PARTICULES LOURDES. LA COMPARAISON AVEC UNE EXPERIENCE REALISEE EN SOUFFLERIE EST CONCLUANTE. AVANT SON APPLICATION A L'OUTIL METEOROLOGIQUE, UNE ETUDE ATMOSPHERIQUE A ETE EFFECTUEE EN SUPPOSANT LA COUCHE LIMITE ATMOSPHERIQUE DANS LES CONDITIONS DE STRATIFICATION STABLE.
Author: GEORGES.. DESBRAUX
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Languages : fr
Pages : 120
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L'OBJET DE CE TRAVAIL DE THESE A ETE D'APPORTER UNE CONTRIBUTION A L'ETUDE DE LA TURBULENCE DANS LA COUCHE LIMITE ATMOSPHERIQUE. IL A AINSI ETE EFFECTUE UNE ANALYSE STATISTIQUE DE DIFFERENTS PARAMETRES DE L'ECOULEMENT TURBULENT (SPECTRES, TAUX ET ECHELLES DE DISSIPATION, PROFILS DE FLUX, ...) A PARTIR DES SONDAGES ACOUSTIQUES OBTENUS DURANT L'EXPERIENCE COAST 83. CETTE ETUDE A PERMIS DE CARACTERISER LES DENSITES SPECTRALES DES FLUCTUATIONS DE LA VITESSE DE L'ECOULEMENT ATMOSPHERIQUE DANS DES CONDITIONS FAIBLEMENT CONVECTIVES ET STABLES. IL A ETE MONTRE QUE LA SIMILITUDE PHYSIQUE ETABLIE DANS LA COUCHE DE SURFACE STABLE POUVAIT SE GENERALISER A L'ENSEMBLE DE LA COUCHE LIMITE STABLE. ENFIN, IL A ETE PROPOSE UNE PARAMETRISATION DES ECHELLES DE DISSIPATION EN FONCTION DE L'INDICE DE STABILITE, ET DES ETUDES DE CAS ONT MIS EN EVIDENCE UN ACCROISSEMENT SIGNIFICATIF DU TAUX DE DISSIPATION AVEC LA PROPAGATION D'ONDES DE GRAVITE
Author: Clara Darbieu
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Languages : fr
Pages : 206
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Cette thèse porte sur l'étude de la transition d'après-midi (TA) de la couche limite atmosphérique (CLA). La TA est une période complexe du cycle diurne, de par son manque de stationnarité et parce qu'elle est régie par un ensemble de forçages qui faiblissent et dont les rôles respectifs changent par rapport à ce qu'ils ont pu être durant la période convective. Il résulte une moins bonne compréhension de cette période que des régimes quasi-stationnaires convectifs, neutres ou stables. La TA pourrait conditionner l'établissement du brouillard nocturne, influencer le développement de la couche limite du lendemain et être une phase clé du cycle diurne pour la ventilation des espèces en trace vers l'atmosphère libre. Par conséquent, de meilleures description et compréhension de la TA pourraient améliorer les modèles météorologiques et de qualité de l'air. Les principaux objectifs de la thèse ont été de mieux comprendre comment la turbulence décroît pendant la TA en mettant l'accent sur l'évolution de la structure verticale de la turbulence lorsque les transferts d'énergie en surface diminuent progressivement, et sur le rôle que joue la surface à ce moment particulier du cycle diurne. Le projet international BLLAST (Boundary Layer Late Afternoon and Sunset Turbulence) a servi de cadre à cette thèse. La campagne de mesures qui s'est déroulée en été 2011 sur le Plateau de Lannemezan, au nord de la chaîne Pyrénéenne, a fourni les nombreuses observations utilisées dans cette thèse. Une approche complémentaire aux observations est l'utilisation d'un modèle atmosphérique permettant de résoudre explicitement les échelles de la turbulence (LES).
Author: Quentin Rodier
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Languages : fr
Pages : 211
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Améliorer la représentation de la couche limite stable constitue un des grands challenges de la prévision numérique du temps et du climat. Sa représentation est clé pour la prévision du brouillard, du gel des surfaces, des inversions de température, du jet de basse couche et des épisodes de pollution. De plus, à l'échelle climatique, la hausse de la température moyenne globale de l'air en surface impacte davantage les régions polaires : améliorer la représentation de la couche limite stable est un enjeu important pour réduire les incertitudes autour des projections climatiques. Depuis une quinzaine d'années, les exercices d'intercomparaison de modèles GABLS ont montré que le mélange turbulent dans la couche limite stable est généralement surestimé par les modèles de prévision du temps. En effet, de nombreux modèles intensifient artificiellement l'activité de leur schéma de turbulence afin d'éviter une décroissance inévitable du mélange lorsque la stabilité dépasse un seuil critique en terme de nombre de Richardson gradient. Ce problème numérique et théorique n'est pas en accord avec de nombreuses observations et simulations à haute résolution qui montrent une activité turbulente séparée en deux régimes : un régime faiblement stable dans lequel l'atmosphère est turbulente de manière continue et intense, et un régime très stable dans lequel la turbulence est très intermittente, anisotrope et faible en intensité. Ces travaux de thèse s'articulent autour de deux parties dont l'objectif principal est d'améliorer la paramétrisation de la turbulence dans le modèle atmosphérique de recherche Méso-NH développé conjointement par Météo-France et le Laboratoire d'Aérologie, et dans le modèle opérationnel AROME. Cette étude utilise une méthodologie communément employée dans le développement de paramétrisations qui consiste à comparer des simulations à très haute résolution qui résolvent les structures turbulentes les plus énergétiques (LES) à des simulations uni-colonnes d'un modèle méso-échelle. Plusieurs simulations 3D couvrant différents régimes de stabilité de l'atmosphère sont réalisées avec Méso-NH. Les limites du modèle LES en stratification stable sont documentées. Une première partie répond à la problématique de la surestimation du mélange dans le régime faiblement stable. Une expression originale pour la longueur de mélange est formulée. La longueur de mélange est un paramètre clé pour les schémas de turbulence associés à une équation pronostique pour l'énergie cinétique turbulente. Cette longueur de mélange non-locale combine un terme de cisaillement vertical du vent horizontal à une formulation existante qui repose sur la flottabilité. Le nouveau schéma est évalué dans des simulations 1D par rapport aux LES d'une part ; et dans le modèle opérationnel AROME par rapport aux observations de l'ensemble du réseau opérationnel de Météo-France d'autre part. Une deuxième partie apporte des éléments d'évaluation d'un schéma combinant deux équations pronostiques pour les énergies cinétiques et potentielles turbulentes. En condition stable, le flux de chaleur négatif contribue à la production d'énergie potentielle turbulente. L'interaction entre les deux équations d'évolution permet, via une meilleure prise en compte de l'anisotropie et d'un terme à contre gradient dans le flux de chaleur, de limiter la destruction de l'énergie turbulente dans les modèles. Dans les cas simulés, cette nouvelle formulation ne montre pas un meilleur comportement par rapport à un schéma à une équation pour l'énergie cinétique turbulente car le mécanisme d'auto-préservation n'est pas dominant par rapport au terme de dissipation. Il conviendra d'améliorer la paramétrisation du terme de dissipation dans le régime très stable.
Author: Claude Estournel
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Languages : fr
Pages : 178
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LE TRAVAIL REALISE EST UNE ETUDE DE LA COUCHE LIMITE ATMOSPHERIQUE EN PHASE NOCTURNE (CLN) BASEE SUR L'ANALYSE DE DONNEES EXPERIMENTALES ET SUR LA SIMULATION NUMERIQUE. LE MODELE UTILISE EST UNIDIMENSIONNEL, IL TRAITE LES TRANSFERTS PAR UN SCHEMA EN COEFFICIENTS D'ECHANGES ET EN ENERGIE CINETIQUE TURBULENTE, ET LE TRANSFERT RADIATIF GRACE A UN MODELE MULTISPECTRAL. UNE NOUVELLE PARAMETRISATION DES LONGUEURS DE MELANGE EST PROPOSEE. ON UTILISE LE MODELE POUR ETUDIER LES CARACTERISTIQUES FONDAMENTALES DE LA CLN: LE REFROIDISSEMENT NOCTURNE, LE PROFIL DE VENT AVEC LE JET DE BASSES COUCHES ET LA HAUTEUR DE LA CLN. EN CE QUI CONCERNE LE REFROIDISSEMENT NOCTURNE ON ETUDIE LE ROLE RESPECTIF DES COMPOSANTES RADIATIVE ET TURBULENTE SUIVANT LA VALEUR DU VENT GEOSTROPHIQUE. ON EXAMINE LE ROLE DES MECANISMES QUI PERTURBENT LA FORMATION DU JET NOCTURNE: BAROCLINIE, ADVECTION. DANS UNE TROISIEME PARTIE, ON SIMULE DES DONNEES EXPERIMENTALES. DANS DES CONDITIONS DE VENT FAIBLE, LA BONNE QUALITE DU MODULE RADIATIF PERMET DE BIEN SIMULER LES PROFILS THERMIQUES. DANS DES CONDITIONS DE VENT FORT, ON MET EN EVIDENCE L'INFLUENCE DES PROCESSUS DE MOYENNE ECHELLE; LE SCHEMA DE TURBULENCE ADOPTE PERMET DE RETROUVER LES CARACTERISTIQUES PRINCIPALES DE L'EVOLUTION DE LA CLN.
Author: FABIENNE.. LOHOU
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Languages : fr
Pages : 207
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JUSQU'A PRESENT LA COUCHE LIMITE ATMOSPHERIQUE (CLA) ETAIT CONSIDEREE COMME LE SIEGE D'UNE TURBULENCE HOMOGENE ET PLEINEMENT DEVELOPPEE. GRACE A CETTE HYPOTHESE ON POUVAIT ALORS EXPLORER LA CLA DE FACON UNIDIMENSIONNELLE. TRAITEES DE FACON STATISTIQUE, LES DONNEES EXPERIMETALES ONT FOURNI UNE EVALUATION DES TRANSFERTS DANS LA CLA ET UNE PARAMETRISATION SIMPLE MAIS EFFICACE UTILISEE DANS LES MODELES NUMERIQUES. POURTANT, ON SAIT DEPUIS LONGTEMPS QU'IL Y A AU SEIN DE LA COUCHE LIMITE DES ORGANISATIONS DONT LA DIMENSION HORIZONTALE PEUT ATTEINDRE PLUSIEURS KILOMETRES. CES ORGANISATIONS NE RELEVENT PAS DE LA TURBULENCE ET LEUR COHERENCE SPATIALE ET TEMPORELLE LES RENDENT DIFFICILES A APPREHENDER PAR UNE APPROCHE STATISTIQUE. EN CONSEQUENCE, ELLES NE SONT PAS PRISES EN COMPTE DANS LES PARAMETRISATIONS ACTUELLES. EXPERIMENTALEMENT, L'ETUDE DE CES ORGANISATIONS NECESSITE UNE VISION TRIDIMENSIONNELLE DE LA CLA. LA CAMPAGNE EXPERIMENTALE TRAC (TURBULENCE-RADAR-AVION-CELLULES), QUI S'EST DEROULEE EN JUIN 1993 DANS LA BEAUCE, ASSOCIAIT LA VISION TRIDIMENSIONNELLE (3D) DU RADAR DOPPLER RONSARD DU CENTRE D'ETUDE TERRESTRE ET PLANETAIRE ET LA VISION IN SITU UNIDIMENSIONNELLE (1D) DE L'AVION MERLIN IV DE METEO FRANCE. CETTE BASE EXPERIMENTALE ASSOCIEE A UNE APPROCHE NUMERIQUE NOUS ONT PERMIS D'ETUDIER LES STRUCTURES ORGANISEES DE LA CLA. LA PREMIERE PARTIE DE L'ETUDE EXPERIMENTALE REPOSE SUR L'APPROCHE STATISTIQUE. LA STATISTIQUE DEDUITE DES DONNEES AEROPORTEES A ETE COMPAREE A UNE STATISTIQUE DE REFERENCE. CETTE COMPARAISON CONFIRME LA NECESSITE D'UNE ETUDE PHENOMENOLOGIQUE DES ECHELLES QUI, PAR LEUR MANQUE DE REPRESENTATIVITE, NE SONT PAS PRISES EN COMPTE DANS L'APPROCHE STATISTIQUE. PAR AILLEURS, LA RESTITUTION DES PARAMETRES TURBULENTS A PARTIR DES DONNEES RADAR EN AIR CLAIR A ETE VALIDEE SUR LA BASE DES DONNEES AVION. LA DEUXIEME PARTIE DE L'APPROCHE EXPERIMENTALE A DONC CONSISTE EN UNE ETUDE PHENOMENOLOGIQUE DES ORGANISATIONS COHERENTES DANS LA CLA. UNE METHODE A ETE DEVELOPPEE POUR METTRE EN EVIDENCE DE FACON OBJECTIVE LE MODE PRINCIPAL DES STRUCTURES ORGANISEES. ELLE EST BASEE SUR L'ANALYSE PAR CORRELATION BIDIMENSIONNELLE DES CHAMPS DE REFLECTIVITE RADAR ET DONNE ACCES A L'EVOLUTION TEMPORELLE ET VERTICALE DES STRUCTURES ORGANISEES. CELLES-CI SONT SOIT DES ROULEAUX HORIZONTAUX SOIT DES CELLULES. LEURS CARACTERISTIQUES SONT COMPAREES A CELLES DE LA CLA DANS LE BUT DE DETERMINER LES PARAMETRES DIRECTEURS DE CES ORGANISATIONS. IL EST CEPENDANT DIFFICILE DE GENERALISER LES RESULTATS OBTENUS A PARTIR DE QUELQUES CAS EXPERIMENTAUX TRES DIVERS. PAR CONTRE, LES CARACTERISTIQUES OBSERVEES PEUVENT SERVIR DE REFERENCE POUR LA VALIDATION DU MODELE, QUI PAR LA SUITE EST UN OUTIL DE QUANTIFICATION ET GENERALISATION. L'APPROCHE NUMERIQUE A D'ABORD CONSISTE A TESTER LA REPONSE DU MODELE A DIFFERENTES CONDITIONS INITIALES DEJA ETUDIEES ANALYTIQUEMENT EN THEORIE LINEAIRE. OUTRE LA MISE EN EVIDENCE DE LA LIMITE DE CES THEORIES DANS DES CAS D'INSTABILITE DYNAMIQUE, CES TESTS ONT PERMIS DE DETERMINER LES PARAMETRES DIRECTEURS DE LA FORMATION DES ORGANISATIONS. ONT ETE TESTES DES PARAMETRES DYNAMIQUES (VENT LINEAIRE OU AVEC POINT D'INFLEXION), THERMODYNAMIQUES (FLUX DE CHALEUR SENSIBLE), AINSI QUE DES CARACTERISTIQUES DE LA CLA COMME SA HAUTEUR. NOUS AVONS ENSUITE UTILISE LES DONNEES EXPERIMENTALES POUR SIMULER UN CAS REEL QUI EN DE NOMBREUX POINTS CONFIRME LE SCHEMA FONCTIONNEL DE LA CLA PROPOSE A L'ISSU DE L'ETUDE EXPERIMENTALE.
