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, une meilleure description et compréhension de la TA pourrait améliorer les modèles météorologiques, en tenant compte notamment de l'interaction des échelles turbulentes.
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). Cette approche a permis d'améliorer la compréhension du devenir des définitions et des lois d'échelles, de l'évolution des caractéristiques turbulentes et du rôle des différents processus de couche limite pendant la TA.
L'ensemble des moyens expérimentaux a permis d'établir une vue d'ensemble des TA de BLLAST, en fonction des différentes conditions météorologiques et des types d'évolution de la structure moyenne et turbulente de la CLA: il existe une grande variabilité de la durée des TA en fonction du type de surface et des conditions météorologiques.
L'évolution des caractéristiques turbulentes pendant la TA a été étudiée en surface et in situ grâce aux observations aéroportées, ainsi qu'avec une LES. Nous avons relevé la bonne capacité de la LES à reproduire les observations de la turbulence au cours de l'après-midi. En se basant sur une analyse spectrale de la vitesse verticale du vent, il a été mis en évidence que la TA est constituée de deux périodes nommées «Early Afternoon» et «Late Afternoon». La «Early Afternoon» est caractérisée par une diminution lente de l'énergie cinétique turbulente (ECT) dans la CLA sans que cela affecte les caractéristiques fondamentales de la turbulence. Durant la «Late Afternoon» l'ECT diminue fortement, accompagnée de modifications de la répartition de l'énergie sur les différentes échelles des tourbillons et surtout de la façon dont l'énergie cascade vers la dissipation. C'est aussi durant cette période que les échelles de normalisation classiquement utilisées en régime convectif ne sont plus valides. Ces modifications sont plus marquées et apparaissent plus tôt dans la partie supérieure de la CLA.
La compréhension de l'évolution des caractéristiques turbulentes pendant la TA a ensuite été approfondie à l'aide de plusieurs tests de sensibilité. L'évolution de la turbulence est sensible au cisaillement, celui-ci retardant le processus de décroissance de turbulence et d'évolution des échelles. L'heure d'initialisation d'une simulation joue également un rôle. La période de six fois l'échelle de temps convective généralement supposée être suffisante pour reproduire la turbulence dans un modèle atmosphérique ne permet pas de créer les plus grandes échelles, ce qui modifie la décroissance de la turbulence pendant la TA. |
This thesis focuses on the afternoon transition (AT) of the atmospheric boundary layer (ABL). This transitional period is complex, because it is non-stationary and most of the forcings, though smaller than during the previous convective period, may come into play. Thus, this transitional period is less understood than the quasi-stationary convective, neutral or stable regimes. Yet, the AT could impact on the nocturnal fog set up, influence the boundary-layer development on the following day and play a crucial role in the transport and dispersion of pollutants and trace species towards the free troposphere. Therefore, a better understanding of the AT could improve the meteorological models, especially by taking into account the interaction of the turbulent scales.
One of the main objectives of the thesis is to improve the knowledge of the decay of turbulence during the AT, when the surface energy transfers are gradually decreasing. We especially put emphasis on the evolution of the ABL vertical structure. This work is in the core of the BLLAST (Boundary Layer Late Afternoon and Sunset Turbulence) international project. A field campaign took place in summer 2011 in France, on the northern side of the Pyrenean foothills (at "Plateau de Lannemezan"), providing numerous observations used in the thesis. In addition, we also used a Large-Eddy Simulation (LES) with which the turbulent scales can be explicitly resolved. Thanks to this approach, the evolution during the AT of the scale definitions, scaling laws, turbulence characteristics and of the role of the boundary layer processes are now better understood.
Thanks to the set of observations, an overview of the BLLAST ATs has been done, according to the various meteorological conditions as well as the structure and evolution of the mean and turbulence structure of the ABLs. A large variability of the AT duration was observed, depending on the surface characteristics and atmospheric conditions.
The evolution of the turbulent characteristics during the AT has been studied at the surface and higher in the ABL by means of aircraft measurements and LES data. The study points out the LES ability to reproduce the turbulence evolution throughout the afternoon. A spectral analysis of the vertical wind from LES data, airborne and surface measurements reveals that the afternoon transition can be divided in two periods : a first period, called "Early Afternoon Period", during which the turbulence kinetic energy (TKE) decays with a slow rate, with no significant change in the turbulence characteristics, and a second period, called "Late Afternoon Period", characterized by a larger TKE decay rate and a change of its spectral shape, translating as an evolution of eddy size distribution and energy cascade from low to high wavenumbers. Moreover, the midday convective scaling laws are not valid anymore during this latter period. These changes occur first in the upper part of the ABL. The higher in the PBL, the stronger the spectra shape changes.
Some sensitivity analyses have also been performed to improve the understanding of the evolution of the turbulence characteristics during the AT. The evolution of turbulence is sensitive to wind shear, which delays the decay and the scale evolution. The starting time of the simulation also plays a role in the evolution of the turbulence characteristics. Though it is often assumed in the literature that a period of time equal to six times the convective time scale is long enough to generate a fully built turbulence field in meteorological models, we found that the largest scales need more time to be created, which also impacts the decay of turbulence during the AT. |