Conclusion sur la simulation avec advection

Tout le principe de ce type de calcul repose sur le forcage grande échelle, issu des données sondages de Trappes. Pour arriver à renseigner régulièrement le modèle, nous avons effectué une

148 CHAPITRE 6. MODÉLISATION 1D DE PÉRIODES D’ECLAP interpolation linéaire des sondages. Cela s’avère être une importante faiblesse de la méthode, les processus dynamiques et thermiques n’étant pas temporellement linéaires.

Le passage à une configuration de "mini-3D" nous oblige à intégrer une diffusion numérique horizontale lors du calcul. Cette diffusion va avoir une imfluence sur les résultats. Le domaine étant petit, les contrôles doivent être très fins sur le choix de cette valeur (la plus faible possible). Pour les simulations présentées ici, la valeur utilisée reste faible,

- =5000 m  s  .

Alors que la plupart des modèles utilisent une valeur de vent géostrophique moyenne pendant la totalité d’une simulation, il apparait par cette étude que ce forcage grande échelle est ici l’un des facteurs les plus importants. Seul un suivi horaire précis du vent géostrophique permet de contrôler le calcul, et de restituer correctement le champ de vent.

En conclusion, les calculs d’advection sur un maillage uni-dimensionnel étendu ont montré que ce principe pouvait être une bonne alternative aux besoins antagonistes des simulations actuelles :

Réaliste à petite échelle (pour la prévision de la pollution sur une ville et son environnement proche).

Rapide en temps de calcul, contrairement à l’outil 3D très contraignant.

Prenant correctement en compte les effets d’advections synoptiques, qui, comme nous l’avons vu, ont une grande importance en région Parisienne (par le biais d’une relativement faible topo-graphie).

6.11 Conclusion

Les simulations unidimensionnelles effectuées dans ce chapitre sont parmi les premières effec-tuées sur la région Parisienne et directement comparées aux mesures complètes d’une campagne comme ECLAP.

Nous avons montré les limites de l’approximation consistant à ne pas prendre en compte l’ad-vection sur trois journées de la campagne ECLAP. Les simulations sont correctes pour la journée M13, dont les mesures ont montré l’absence d’advection synoptique. Lors de périodes d’advec-tion d’air plus chaud (M10) ou plus froid (M14), nous avons montré les limites de ce type de simulation.

Sur ces trois journées, nous avons montré que la simulation correcte des processus dynamiques et thermiques devait utiliser un modèle prenant précisément en compte les points suivants :

Le suivi temporel des valeurs du vent géostrophique : si la direction et la force du vent changent de manière importante pendant la journée, le principe usuellement utilisé de va-leurs constantes ne peut aboutir à des résultats corrects. Notre ajout dans le modèle d’un suivi temporel sur ce paramêtre a permis ici de simuler un champ de vent évolutif et non plus représentatif de la seule initialisation.

L’importance de la prise en compte d’une échelle de vitesse convective  " : en période convective, le modèle va simuler un vent trop faible, et seule cette vitesse  " permettra de restituer des flux de surface proches de la mesure.

Le calcul diagnostique de à partir du  permet de n’utiliser que les grandeurs principales de l’écoulement, déjà calculées par le modèle. Cet ajout dans le modèle évite ainsi l’incerti-tude liée à la fermeture turbulente, et a montré sa robustesse sur des maillages permettant un temps rapide de calcul.

Les paramétrisations de température et d’humidité de surface ont montrées leur grande sen-sibilité à leur initialisation et à des quantités non mesurées, comme les teneurs en eau du sol.

Les résultats de nos simulations sont assez proches des mesures, mais ce type de paramétri-sation reste encore très sensible à des paramètres très empiriques.

Le rôle majeur des hauteurs de rugosité effectives dans les paramétrisations turbulentes de la couche de surface a été exposé lors des comparaisons avec les anémomètres soniques. L’ajout dans le modèle d’un forcage simple pour des hauteurs variables nous a permis de retrouver les flux turbulents dynamiques mesurés.

Nous avons ensuite testé une approche différente consistant à utiliser le modèle en configuration unidimensionnelle étendue avec de l’advection. Tous les apports précédents au modèle ont été conservés. La simulation de M14 a montré que les résultats étaient plus proches des mesures. Seule la prise en compte du calcul de l’advection a permis de rendre compte des importantes et rapides modifications de la structure dynamique et thermique apparaissant pour cette journée. On a vu lors des analyses que cette advection d’air froid de surface, avait dispersé les nombreux polluants accumulés la veille (M13) et pendant la matinée. Sans les calculs advectifs, le modèle ne peut prévoir ce phénomène et dans le cadre de simulations de pollution, pourrait considérer à tort que les polluants sont toujours en place. Le modèle unidimensionnel étant un outil idéal pour la prévention de la pollution, il semble indispensable en région Parisienne d’y inclure la grande influence des effets synoptiques de basse couche, comme nous l’avons fait ici pour cette situation ECLAP.

Modélisation 3D d’une période ECLAP

7.1 Introduction

Les simulations unidimensionnelles précédentes ont mis en avant les problèmes majeurs que nous avons rencontrés, ainsi que les solutions pouvant y être apportées. Nous présentons dans ce chapitre une première simulation tridimensionnelle sur la région Parisienne. Le but de notre travail de thèse était la compréhension des processus dynamiques et thermiques de la couche limite en agglomération Parisienne. La simulation unidimensionnelle advective et prenant en compte des modifications du modèle ont montrées que l’on reproduisait bien les processus météorologiques complexes d’une journée comme le 14 Mars 95.

En perspective, nous avons mis en place une simulation tridimensionnelle sur la journée du 13 Mars 95, et pour quantifier les problèmes propres à ce type de calcul, nous avons utilisé le modèle dans sa version standard.

La difficulté majeure que nous avons rencontré est le temps de calcul. Alors que la simulation 1D advective permet de simuler une période de 24h en une dizaine de minutes, la simulation 3D a été effectuée en 120h.

7.1.1 Initialisation et conditions aux limites

Les conditions générales du calcul sont exactement celles décrites au chapitre 6, page 114 : l’initialisation est effectuée sur tout le domaine par un unique sondage de Trappes. Cette procédure est forcément inexacte, mais reflète l’unique mesure météorologique verticale actuel-lement disponible sur la région Parisienne (nous rappelons que nous ne disposions pas pour ce travail des analyses Arpège). Pour améliorer le calcul, une phase d’initialisation de 3h va per-mettre au modèle de pré-balancer les champs sur le domaine avant la prise en compte des résultats. Nous présentons dans ce chapitre les principales différences avec les simulations précédentes, c’est à dire :

Le domaine d’étude et la prise en compte du relief

La prise en compte de caractéristiques de sol pour chacune de mailles de calcul.

Le problème du choix du pas de temps de calcul et de la diffusion numérique.

La journée du 13 Mars 95 a été choisie pour ses conditions anticycloniques et de vent faible, propices à l’étude fine de l’influence du relief sur les écoulements atmosphériques en région Pari-sienne.

152 CHAPITRE 7. MODÉLISATION 3D D’UNE PÉRIODE ECLAP

FIG. 7.1 – Relief utilisé pour la simulation tridimensionnelle sur la région Parisienne