Les incendies de forêt font partie des phénomènes naturels destructeurs représentant un enjeu écologique majeur et un problème pour la sécurité des populations. Ils font intervenir une multitude de phénomènes physiques complexes, en interaction les uns avec les autres, et ayant lieu sur une large gammes d’échelles spatiales et temporelles. La modélisation de l’ensemble de ces phénomènes pour représenter le comportement d’un incendie aux échelles géographiques (i.e. pour un incendie de plusieurs dizaines voire centaines d’hectares) est aujourd’hui hors de portée des capacités de calcul scientifique. Cependant, la propagation d’un incendie peut être modélisée en adoptant une description simplifiée, sous la forme d’un front de feu unidimensionnel se déplaçant en surface, au travers d’une couche de combustible hétérogène, et en l’intégrant au sein d’un modèle de météorologie locale.
Lorsque le modèle atmosphérique et le modèle de feu s’échangent des informations comme le vent de surface et les flux de chaleur générés par l’incendie, on parle de modèle couplé feu-atmosphère. Dans ces travaux de thèse, un modèle de feu nommé BLAZE a été développé et intégré au modèle de météorologie de méso-échelle MESONH afin de reconstruire la chronologie détaillée d’un incendie et de fournir ainsi un cadre d’étude des interactions entre un incendie et la micro-météorologie. Le modèle couplé MESONH-BLAZE a été validé sur le brûlage dirigé FireFlux I, un feu de prairie d’une trentaine d’hectares. La réponse du modèle couplé MESONH-BLAZE à différents choix de modélisation et différents scénarios atmosphériques a été étudiée pour quantifier les incertitudes associées aux quantités d’intérêt (la position et les flux de chaleur sensibles du front de feu par exemple) et identifier les paramètres les plus influents. Les résultats ont montré une influence significative de la turbulence atmosphérique sur la vitesse de propagation et le vent induit par le feu. Les résultats ont aussi montré une forte sensibilité de la vitesse de propagation à la tête du front de feu à la vitesse du vent de surface, à l’indice foliaire et à la température d’inflammation de la paramétrisation de Balbi. Quant aux flux de chaleur sensible et latente, ils sont principalement influencés par la charge de combustible mort et la teneur en humidité du combustible mort, respectivement. Dans sa version standard, le modèle atmosphérique MESONH repose sur l’hypothèse anélastique. Celle-ci permet de supprimer les ondes acoustiques dans l’atmosphère en négligeant les variations horizontales et temporelles de densité de l’air dans l’équation de conservation de la masse. La validité de cette hypothèse est discutable au voisinage des zones de flammes sujettes à d’importants dégagements de chaleur. La version compressible de MESONH, qui ne fait pas d’hypothèse sur la densité de l’air, développée pour l’atmosphère sèche, a été étendue à l’atmosphère humide dans le cadre de cette thèse. Elle a tout d’abord été appliquée sur des cas dynamiques simplifiés. Puis une comparaison entre les systèmes anélastique et compressible a été réalisée à l’aide du modèle couplé MESONH-BLAZE sur le cas FireFlux I. Les résultats ont montré que les effets compressibles deviennent importants à très haute résolution spatiale (10 m), en induisant une accélération du vent horizontal à l’avant du front de feu qui tend à accélérer la vitesse de, et en déclenchant une activité ondulatoire augmentant l’énergie spectrale des plus courtes longueurs d’onde. Le système MESONH-BLAZE fournit un cadre numérique pour mieux comprendre les processus atmosphériques associés à un incendie tels que la dynamique de panache sur le long terme. |
Forest fires are among the destructive natural phenomena that represent a major ecological challenge and a threat to the safety of populations. They involve a variety of complex physical phenomena, interacting with each other and taking place over a wide range of spatial and temporal scales. Modeling all of these phenomena to represent the fire behavior at geographical scales (i.e. for a fire of several tens or even hundreds of hectares) is today beyond the reach of scientific computing capabilities. However, the fire spread can be simulated by adopting a simplified description, in the form of a one-dimensional fire front moving on the surface, through a heterogeneous fuel layer, and by integrating it within a local weather model. When the atmospheric model and the fire model exchange information such as surface wind and heat fluxes generated by the fire, it is referred to as a coupled fire-atmosphere model. In this thesis work, a fire model named BLAZE was developed and integrated to the meso-scale meteorology model MESONH in order to reconstruct the detailed chronology of a fire and thus provide a framework for studying the interactions between a fire and micro-meteorology. The coupled model MESONH-BLAZE has been validated on the FireFlux I prescribed burn, a grassland fire of about 30 hectares. The response of the coupled model MESONH-BLAZE to different modeling choices and different atmospheric scenarii was studied to quantify the uncertainties associated with the quantities of interest (the position of the fire front and the sensible heat fluxes along the fire front for example) and to identify the most influential parameters. The results showed a significant influence of the atmospheric turbulence on the fire rate of spread and on the fire-induced wind. The results also showed a high sensitivity of the propagation speed at the head of the fire front to the surface wind speed, the leaf index and the ignition temperature of the Balbi parameterization. As for the sensible and latent heat
fluxes, they are mainly influenced by the dead fuel load and the moisture content of the dead fuel, respectively. In its standard version, the MESONH atmospheric model is based on the anelastic assumption. This allows the removal of acoustic waves in the atmosphere by neglecting horizontal and temporal variations in air density in the mass conservation equation. The relevance of this hypothesis is questionable in the vicinity of flame zones subject to important heat releases. The compressible version of MESONH, which does not make a specific assumption on air density, developed for the dry atmosphere, has been extended to the wet atmosphere in the present thesis. It was first applied to simplified dynamic cases such as acoustic waves or orographic waves. Then a comparison between anelastic and compressible systems was performed using the coupled MESONH-BLAZE model on the FireFlux I case. The results showed that the compressible effects become important at very high spatial resolution (10 m), by inducing a horizontal wind acceleration in front of the fire front which tends to increase the fire front propagation, and by triggering an undulatory activity increasing the spectral energy of the shortest wavelengths. The MESONH-BLAZE system provides a numerical framework to better understand the atmospheric processes associated with a fire such as plume dynamics over the long term. |