Développement d'un nouveau schéma de physique des nuages dans le modèle de méso-échelle MésoNH pour l'étude des interactions aérosol-nuage PDF Download
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Author: Sarah Berthet
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Author: Sarah Berthet
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Author: JEAN-MARTIAL.. COHARD
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Pages : 183
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LES NUAGES OCCUPENT UNE POSITION CENTRALE DANS TOUTES LES SCIENCES DE L'ATMOSPHERE. LES PROCESSUS QUI LES CONTOLENT FONT L'OBJET D'ETUDES DETAILLEES DEPUIS LONGTEMPS, POURTANT LA REPRESENTATION DES NUAGES DANS LES MODELES A MESO-ECHELLE ET LES MODELES CLIMATIQUES RESTE APPROXIMATIVE. CETTE THESE PORTENT SUR LA DESCRIPTION ET SUR L'EVALUATION D'UN NOUVEAU SCHEMA DE NUAGE CHAUD DESTINE AUX MODELES ATMOSPHERIQUES TRIDIMENSIONNELS ET VISANT A REPRESENTER EXPLICITEMENT LES PROCESSUS MICROPHYSIQUES. LE SCHEMA EST CONSTRUIT SUR UNE REPRESENTATION SEMI-SPECTRALE DE LA DISTRIBUTION DIMENSIONNELLE DE L'EAU LIQUIDE. IL PREDIT LES RAPPORTS DE MELANGE ET LES CONCENTRATIONS POUR L'EAU NUAGEUSE ET LA PLUIE. NOUS AVONS CHERCHE POUR CHAQUE PROCESSUS UNE EXPRESSION ANALYTIQUE POUR TRADUIRE SA CONTRIBUTION AUX EQUATIONS D'EVOLUTION DES VARIABLES MICROPHYSIQUES PREDITES. EN PARTICULIER, POUR L'ETUDE DU PROCESSUS DE NUCLEATION HETEROGENE, NOUS AVONS REVISE LA DEMARCHE DE TWOMEY (1959) AFIN DE MIEUX REPRESENTER LES SPECTRES D'ACTIVATION. NOUS AVONS ALORS PROPOSE DES RELATIONS PARAMETRIQUES SIMPLES ENTRE CES COEFFICIENTS ET LES VARIABLES QUI DEFINISSENT LA DISTRIBUTION DIMENSIONNELLE DES AEROSOLS. LE SCHEMA MICROPHYSIQUE COMPLET A ETE IMPLANTE DANS LE MODELE NON HYDROSTATIQUE A MESO-ECHELLE MESONH. DES SIMULATIONS POUR DEUX TYPES D'EVENEMENT PRECIPITANT SONT PRESENTEES. LES PREMIERES SONT DES SIMULATIONS D'UN EPISODE DE PRECIPITATION OROGRAPHIQUE, LES SECONDES CONCERNE DES SIMULATIONS D'UNE BANDE PRECIPITANTE AU LARGE D'HAWAII OBSERVEE DURANT LA CAMPAGNE HARP (1990). LES RESULTATS DE CES SIMULATIONS SONT COMPARES AUX OBSERVATIONS ET AUX RESULTATS OBTENUS PAR D'AUTRES SCHEMAS MICROPHYSIQUES. ENFIN UNE SIMULATION D'UN CAS REEL 3D EST EFFECTUEE POUR UN EPISODE DE PRECIPITATION SUR LE MASSIF DES CEVENNES ET POUR LEQUEL DES OBSERVATIONS RADAR SONT DISPONIBLES.
Author: Delphine Leroy
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Pages : 202
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La représentation des nuages est une source importante d'incertitude dans les modèles à échelle synoptique ou globale. Pour l'améliorer, la solution retenue consiste à développer un modèle de nuage le plus réaliste possible, pour pouvoir ensuite le comparer avec des représentations plus simplifiées et détecter leurs éventuelles faiblesses. Ainsi, un modèle de nuages tridimensionnel (3D) et à microphysique détaillée a été developpé à partir du modèle dynamique 3D de Clark et Hall (1991) et du modèle microphysique DESCAM (DEtailed SCAvenging Model) de Flossmann et al. (1985) et cette thèse traite plus particulièrement de la prise en compte de la phase glace dans ce modèle. Le module de microphysique froide implémenté a été validé par comparaison avec des mesures aéroportées et au sol. Le modèle DESCAM 3D étant aussi conçu pour l'étude des interactions aérosol-nuage, il a ensuite été utilisé pour étudier l'impact de la pollution particulaire sur la phase glace et les précipitations
Author: Mathieu Leporini
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Languages : fr
Pages : 153
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Les particules d'aérosols tiennent une position centrale dans la formation des nuages. La description détaillée de l'interaction entre les particules d'aérosols et les nuages réalisée dans une dynamique tridimensionnelle est essentielle. Le modèle de nuage chaud à microphysique détaillée DESCAM est modifié pour permettre son couplage à la dynamique tridimensionnelle du modèle méso-échelle de Clark. DESCAM-3D est ensuite évalué dans le cadre de deux formations nuageuses. D'abord, l'impact sur les précipitations d'une pollution est étudié lors de simulations idealisées réalisées sur le relief des Cévennes en France. Les résultats montrent qu'une atmosphère riche en noyaux de condensation ralentit considérablement la dynamique convective et réduit la formation de la pluie. Ensuite, le modèle couplé a été évalué à l'aide des mesures de l'expérience ACE-2. Il a montré un accord satisfaisant avec les observations et a aussi mis en évidence l'impact de la pollution sur le champ nuageux
Author: Régis Dupuy
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Pages : 199
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Le but de ce travail de thèse est d'améliorer la compréhension des interactions aérosols-nuages. Pour ce faire, nous avons dû traiter des sujets aussi larges et diverses que le développement de moyens instrumentaux, l'analyse statistique et la modélisation. Ainsi, nous avons été amenés à installer et à développer un échantillonneur d'air nuageux. Il permet maintenant un échantillonage en nuage et en continu à l'observatoire du sommet du puy de Dôme. Il s'en est suivi deux campagnes de mesures durant les hivers 2000 et 2001 aboutissant à la collecte de plus de 600 000 échantillons. Grâce à ce large panel de conditions météorologiques et d'origine des masses d'air, nous avons pu quantifier un des points clés de l'étude des relations aérosol-nuage. Nous avons pu obtenir une relation entre la concentration totale de particules d'aérosol et, d'une part la concentration de goutteletes de nuages, et d'autre part le rayon effectif du nuage pour un contenu en eau liquide du nuage constant. De plus, l'utilisation d'un modèle d'activation des gouttelettes de nuage appelé ExMix nous a permis d'avoir une meilleure compréhension de l'évolution de l'incorpotation des particules dans le nuage. Ainsi, nous avons pu comparer ses variations avec le contenu en eau qui augmente ou avec le rayon effectif du nuage pour un contenu en eau constant des sorties du modèle à celles mesurées. Toutefois, cela a soulevé le manque important d'une mesure physico-chimique de l'aérosol avec une fréquence de mesure élevée permettant par exemple une meilleure prise en compte de la phase organique de l'aérosol. C'est pourquoi, un analyseur de la volatilité et de la granulométrie des aérosols a été développé, construit et testé durant la dernière partie de ce travail
Author: Céline Planche
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Pages : 0
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La prévision quantitative des précipitations à l'aide des modèles météorologiques reste encore un grand défi posé à la communauté des sciences atmosphériques. En effet, deux problèmes majeurs sont généralement identifiés pour la prévision opérationnelle des précipitations et du climat : les interactions des systèmes précipitants avec le relief et avec la pollution. Cette thèse contribue à l'amélioration des prévisions de pluies. La stratégie adoptée est d'étudier des évènements précipitants en zones montagneuses en décrivant au mieux les interactions aérosol-nuage-précipitation à l'aide du modèle à microphysique mixte détaillée : DEtailed SCAvenging Model (DESCAM, Flossmann et Wobrock (2010)). Ce modèle utilise cinq distributions pour représenter les particules d'aérosol résiduelles et interstitielles ainsi que les gouttes et cristaux de glace. Le modèle a directement été comparé aux observations réalisées au cours de la campagne expérimentale COPS (Convective and Orographically induced Precipitation Study), qui a eu lieu pendant l'été 2007 à la frontière franco-allemande. En particulier, les simulations des pluies ont été comparées avec des observations de différents radars afin d'évaluer les performances du modèle mais aussi d'aider à l'interprétation des réflectivités de la bande brillante. La sensibilité par rapport à la pollution particulaire a été étudiée pour les propriétés des nuages et des précipitations. Pour les cas étudiés, plus le nombre des particules d'aérosol présentes dans l'atmosphère est important et plus leur solubilité est élevée, plus les précipitations au sol sont faibles. Ces comportements globaux peuvent toutefois être localement différents. Il existe donc des interactions plus complexes entre les particules d'aérosol, les nuages et les précipitations qui doivent être encore plus approfondies.
Author: Dimitri Caro
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Languages : fr
Pages : 197
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Les propriétés microphysiques des aérosols et des hydrométéores ont des conséquences à l'échelle locale (précipitations, pics de pollution), régionale (inondations, pluies acides), et globale (changements climatiques). Une étude multi-échelle s'impose donc pour comprendre et prédire de façon satisfaisante les phénomènes météorologiques concernant les aérosols et les nuages. Les limitations de temps de calcul et de mémoire rendent actuellement impossible une modélisation détaillée des processus microphysiques. Des schémas microphysiques plus simples doivent donc être développés pour déterminer à partir des processus et des caractéristiques de petite échelle, les propriétés grande échelle des aérosols et nuages. Un schéma quasi-spectral de microphysique chaude BUSCAM ("bulk scavenging model") a été développé pour prédire les concentrations et les rapports de mélange des aérosols, des gouttelettes et des gouttes de pluie. Il considère, explicitement et analytiquement, la nucléation des gouttelettes (Abdul-Razzak et al., 2000), la condensation et l'évaporation (Chaumerliac et al., 1987), les processus de rupture et de collision-coalescence des gouttes avec les noyaux de collection de Long (1974) et la paramétrisation de l'autoconversion de Berry et Reinhardt (1974), ainsi que le lessivage des aérosols. Le schéma a été testé dans le cadre de la dynamique simple du modèle parcelle d'air, et comparé avec les résultats de detailed scavenging model DESCAM (Flossmann et al., 1985). Ensuite, il a été utilisé dans le cadre dynamique du modèle cinématique 2D (Szumowski et al., 1998) dédié au Hawaiin Rainband Project (1990), puis comparé avec les observations et les résultats de DESCAM. Les résultats montrent que le BUSCAM se comporte de façon satisfaisante. De plus, ce modèle permet pour la première fois de traiter simultanément l'évolution des nuages et le lessivage des aérosols. Il améliore donc la représentation des interactions entre les nuages et la pollution atmosphérique
Author: Emilie Perraud
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Languages : fr
Pages : 178
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Une bonne représentation des nuages est essentielle à la qualité des modèles de prévision numérique du temps comme AROME (Delta x=2,5km) et Méso-NH. A des résolutions de méso-échelle, les nuages de couche limite (cumulus peu profonds et stratocumulus) sont encore associés à des processus de transport et de formation sous-maille dont il faut améliorer la représentation. La paramétrisation des processus de condensation/évaporation consiste en un ajustement à saturation visant à rétablir l'équilibre thermodynamique entre les phases de l'eau. Les nuages résolus à l'échelle de la maille sont communément traités par un schéma " tout ou rien " dans lequel chaque maille de modèle est considérée comme totalement claire ou nuageuse. Les schémas de nuages sous-maille adoptent couramment une description statistique de la variabilité sous-maille horizontale des variables d'humidité et de température. Une analyse statistique détaillée de données de fine échelle, obtenues à partir de simulations LES pour des cas de nuages chauds non-précipitants de couche limite, a été réalisée. Elle montre qu'à méso-échelle, l'utilisation d'une distribution statistique double gaussienne, associée à une variable traduisant l'écart local à la saturation dans la maille, fournit une bonne estimation des champs nuageux et des hauteurs de base et de sommet des nuages. En cas de cumulus épars, une méthode d'échantillonnage de données de fine échelle (LES) a montré que le mode principal sec, associé à l'environnement, peut être relié à un schéma de turbulence. Un schéma en flux de masse convectif peut être utilisé pour caractériser le second mode, associé aux thermiques peu profonds.
Author: Alexis Dépée
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Les particules atmosphériques sont un sujet d'importance dans plusieurs couches de la société. Leur présence dans l'atmosphère est aussi bien une problématique météorologique et climatique qu'un enjeu de santé publique, notamment de par l'accroissement des maladies cardiovasculaires. En particulier, les particules radioactives émises dans l'atmosphère à la suite d'un accident nucléaire peuvent polluer les écosystèmes durant plusieurs années. Le récent accident du Centre Nucléaire de Production d'Électricité de Fukushima Daiichi en 2011 nous rappelle que, même aujourd'hui, le risque zéro n'existe pas. À la suite d'une émission dans l'atmosphère, les particules nanométriques diffusent et s'agglomèrent alors que les particules de plusieurs micromètres sédimentent. Les tailles intermédiaires vont, quant à elles, pouvoir être transportées à l'échelle globale dont le mécanisme principal de rabattement au sol provient des interactions avec les nuages et les précipitations. Afin d'améliorer la connaissance de la contamination des sols consécutive à de tels accidents, la compréhension de la capture des aérosols par les nuages est alors essentielle. Dans ce but, un modèle microphysique est implémenté dans ce travail, considérant les mécanismes microphysiques qui interviennent dans la capture des aérosols par des gouttes de nuage, notamment les forces électrostatiques dès lors que les radionucléides ont pour propriété de fortement se charger. Des mesures en laboratoire sont alors réalisées à l'aide de In-CASE (In-Cloud Aerosols Scavenging Experiment), expérience conçue dans ce travail, afin de comparer le modèle développé aux observations, et ce, toujours à une échelle microphysique où les paramètres d'influence régissant la capture au sein du nuage sont contrôlés. Par ailleurs, des systèmes de charge des particules et des gouttes sont conçus pour soigneusement maîtriser les charges électriques, tandis que l'humidité relative est précisément pilotée. Les nouvelles connaissances de la capture des particules par des gouttes de nuage qui en découlent, concernant entre autres les effets électrostatiques, sont ensuite incorporées au modèle de nuage convectif DESCAM (Detailed SCAvenging Model). Ce modèle à microphysique détaillée décrit un nuage de sa formation jusqu'aux précipitations, permettant d'étudier l'impact des nouvelles données sur le rabattement des particules à méso-échelle. De plus, des modifications sont apportées à DESCAM pour élargir l'étude aux nuages stratiformes qui constituent en France, la majorité des précipitations. À terme, cette étude ouvre la voie à l'amélioration de la modélisation du rabattement atmosphérique des particules, et notamment à la contamination des sols dans les modèles de crise de l'Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire.
Author: Normand Gagnon
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