Les modèles atmosphériques à aire limitée fournissent actuellement des prévisions à l'échelle kilométrique, et d'ici quelques années à l'échelle hectométrique. A ces échelles, les mouvements convectifs et les processus turbulents interagissent fortement, les premiers étant considérés comme résolus explicitement et les seconds étant situés dans la zone grise de la turbulence.
Cette thèse a pour objectifs de documenter la sensibilité à la résolution horizontale de la modélisation kilométrique et hectométrique de la convection profonde, d'évaluer, puis d'améliorer la paramétrisation de la turbulence sous-maille au sein des nuages convectifs.
Dans une première partie, une étude de sensibilité à la résolution horizontale des modèles non-hydrostatiques AROME et Méso-NH a été réalisée sur un cas idéalisé de convection profonde. Toutes les simulations présentent le même scénario avec une cellule initiale qui se divise en une supercellule et un système multicellulaire. Les expériences avec la résolution de 4 km
nécessiteraient un schéma de convection profonde pour représenter une partie des mouvements convectifs. Les différences entre les expériences avec les résolutions de 1 km et 2 km sont plus importantes qu'entre les résolutions 1 km et 500 m, soulignant le fait que la résolution 1 km apparaît nécessaire pour commencer à bien prévoir les structures convectives. Les effets diffusifs
sont plus marqués avec le modèle AROME, des structures de plus fine échelle étant visibles avec le modèle Méso-NH pour une même résolution.
Le ratio entre les énergies cinétiques turbulentes résolue et totale diminue avec l'augmentation de résolution horizontale, ce qui n'est pas satisfaisant. Ainsi, l'insuffisance de mélange turbulent au sein des nuages convectifs, induit des vitesses verticales trop fortes dans les ascendances,
défaut accentué aux résolutions les plus lâches. Les différences entre versions 1D et 3D du schéma de turbulence, évaluées avec le modèle Méso-NH, deviennent perceptibles à 2 km de résolution, révélant la nécessité de prendre en compte les flux turbulents horizontaux à l'échelle kilométrique
pour les systèmes convectifs.
Dans une seconde partie, on caractérise plus précisément les défauts du schéma de turbulence actuel de Méso-NH dans les nuages convectifs profonds. Pour cela, une simulation LES de nuage convectif avec une résolution de 50 m est réalisée, puis les champs sont moyennés aux résolutions hectométrique et kilométrique afin d'obtenir des flux turbulents de référence. La production
thermique pilote l'augmentation de l'énergie cinétique turbulente sous-maille à faible résolution. A l'inverse, la production dynamique de référence est plus importante à haute résolution, rendant la turbulence tridimensionnelle. Les flux turbulents verticaux de température potentielle liquide et d'eau totale non précipitante présentent des structures à contre-gradient, révélatrices
de turbulence non locale. L'évaluation diagnostique de la paramétrisation actuelle, à partir des champs de référence, montre que la production thermique de turbulence est largement sous-estimée au sein des nuages.
La structure en contre-gradient des flux turbulents n'est pas non plus reproduite, la formulation locale en K-gradient n'étant pas adaptée. Des paramétrisations alternatives de ces flux verticaux sont alors testées. La formulation basée sur TTE (énergie turbulente totale) ne permet pas une
amélioration significative. La formulation basée sur des gradients horizontaux, à partir de Moeng et al. (2010,2014), offre une meilleure représentation de la production thermique de turbulence dans le nuage, grâce à une bonne représentation des zones à contre-gradient. L'évaluation “on-line” à 1 km confirme l'amélioration, avec une diminution significative des vitesses verticales dans les nuages convectifs, et une augmentation de la turbulence sous-maille. |
The limited-area atmospheric models provide nowadays kilometer-scale forecasts and within a few years hectometer-scale forecasts. A these fine scales, the convective motions and turbulent processes strongly interact, the former being considered explicitly resolved and the latter being located in the gray zone of turbulence. This thesis aims at documenting the sensitivity to horizontal
resolution of modeling deep convection at kilometer and hectometer scale, to evaluate, and to improve the parameterization of subgrid turbulence in convective clouds.
In the first part, a sensitivity study to the horizontal resolution with nonhydrostatic models AROME and Meso-NH is performed for an idealized case of deep convection. All simulations exhibit the same scenario with an initial cell which is divided into a supercell and a multicell system. The 4-km resolution simulations would require deep convection scheme to represent some of the convective motions. The differences between the simulations with 1-km and 2-km
grid spacing are higher than those between the 1-km and 500-m runs, emphasizing that the 1-km resolution appears necessary to start well predict convective structures. Diffusive effects are stronger with the AROME model, as smaller scale features are discernible with the Meso-NH model for the same resolution.
The ratio between the resolved and total turbulent kinetic energy decreases with increasing horizontal resolution, which is not satisfactory. Thus, the turbulent mixing in convective clouds, induces too strong vertical velocities in updrafts, this default is accentuated at coarser resolutions. The differences between 1D and 3D versions of the turbulence scheme, evaluated with the Meso-NH model, become noticeable at 2-km resolution, revealing the necessity to take into account the horizontal turbulent fluxes at the kilometer scale for convective systems.
In the second part, the shortcomings of the current turbulence scheme of Meso-NH in deep convective clouds are more precisely investigated. For that, a LES of a deep convective cloud with a 50-m resolution is performed, then the fields of this LES are averaged at kilometer and hectometer resolutions in order to obtain reference turbulent fluxes. The reference thermal
production induces the increase of turbulent kinetic energy at coarse resolution. Conversely, the reference dynamical production is higher at high resolution, making the three-dimensional turbulence. Vertical turbulent fluxes of liquid potential temperature and non precipitating total
water have countergradient structures, indicative of nonlocal turbulence.
Diagnostic assessment of the current parameterization, from the reference fields, shows that thermal production is largely underestimated in the clouds. The countergradient structure of turbulent fluxes is not reproduced, the local K-gradient formulation is not suitable. Alternative parameterizations of these vertical fluxes are then tested. The formulation based on TTE (total
turbulent energy) does not allow a significant improvement. On the contrary,the formulation based on horizontal gradients, from Moeng et al. (2010.2014), provides a better representation of the thermal production of turbulence in the cloud, with a good representation of countergradientareas. The on-line evaluation at 1-km resolution confirms the improvement, with a significant decrease of vertical velocities in convective clouds, and an increase of subgrid turbulence. |