Ce chapitre a présenté l’ensemble de nos résultats portant sur l’évolution tempo- relle de la structure verticale turbulente de la CLA pendant la transition d’après-midi, constituant la problématique majeure de cette thèse.
Une analyse de la turbulence et de ses caractéristiques spectrales a été menée à la fois sur les observations provenant de la campagne BLLAST et sur les données de simulations LES, afin de caractériser la décroissance de la turbulence en fonction de l’altitude et d’étudier la répartition de l’intensité de la turbulence en fonction de la taille des différents tourbillons. L’emploi d’une simulation semi-idéalisée d’un cas d’étude (le 20 juin 2011), initialisée à l’aide des observations de BLLAST mais ne reproduisant ni l’hétérogénéité de surface, ni la topographie du site, a donné des résultats proches de ceux obtenus par les observations. L’analyse a été approfondie avec des observations aéroportées complémentaires sur d’autres journées, des simulations complémentaires de sensibilité à l’heure d’initialisation et au cisaillement, et une analyse du bilan d’énergie cinétique turbulente.
Les principales conclusions obtenues se résument ainsi :
1. La transition d’après-midi semble comporter deux phases : (i) une première phase quasi-stationnaire en début d’après-midi caractérisée par une décroissance lente de l’ECT, pendant laquelle les caractéristiques turbulentes du régime convectif sont maintenues (échelles normalisées, forme du pic d’énergie, pente du domaine inertiel), et (ii) une seconde phase en fin d’après-midi caractérisée par une décrois- sance plus rapide de l’ECT, et pendant laquelle les caractéristiques turbulentes changent rapidement. Pendant cette seconde phase, les échelles intégrales aug- mentent fortement et la cascade d’énergie évolue (cascade moins ’rapide’ vers les petites échelles), impliquant un transfert d’énergie différent.
2. La décroissance de la turbulence se propage du haut de la CLA vers la surface, et ce d’autant plus que le cisaillement est marqué en surface.
3. Le cisaillement retarde la décroissance en basse couche et le début de la seconde phase.
4. L’entraînement, bien que faible en seconde phase, se propage plus bas dans la couche et semble lié à l’augmentation des échelles intégrales. Il serait intéressant d’accéder au processus d’entraînement et de ’demixing’ avec un autre ’traceur’ de l’entraînement, comme l’humidité, ou un traceur passif libéré dans la simulation. Car ce processus est ’discret’ en quelque sorte, mais peut jouer un rôle important néanmoins.
5. Les pentes du domaine inertiel trouvées nettement plus marquées que la pente en -5/3 prévue par la théorie de Kolmogorov à la fois dans les observations et dans la LES, et surtout dans la première phase, semblent découler en très grande partie de la présence de structures cohérentes.
6. L’évolution de l’anisotropie pourrait avoir aussi un lien avec la pente du domaine inertiel et la forme du pic spectral, mais c’est un aspect à approfondir davantage. 7. Les termes du bilan d’énergie cinétique, en partie reliés aux processus, ne peuvent pas être directement associés à la structure turbulente et à ses caractéristiques
spectrales. Ils ne peuvent pas non plus facilement expliquer les phases de la dé- croissance de l’énergie cinétique turbulente, à cause de leur très forte amplitude par rapport à celle du taux de décroissance de l’énergie.
Chapitre 7
Conclusion, perspectives
Ce travail de thèse a porté sur l’étude de la période de transition d’après-midi de la couche limite atmosphérique. La transition d’après-midi 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 en résulte une moins bonne compréhension que celle des régimes quasi-stationnaires convectifs, neutres ou stables. Les principaux objectifs de la thèse ont été de mieux comprendre comment la tur- bulence décroît pendant la transition d’après-midi, en mettant l’accent sur l’évolution de la structure verticale de la turbulence lorsque les transferts d’énergie en surface di- minuent progressivement, et sur le rôle que joue la surface à ce moment particulier du cycle diurne. Le projet international BLLAST a servi de cadre à ce travail de 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. Outre les observations de la campagne BLLAST, nous nous sommes appuyés sur l’utilisation d’un modèle atmosphérique permettant de résoudre explicitement les échelles de la turbulence (Large Eddy Simulation).
Une synthèse (Tableau 7.1) présente ce que ce travail de thèse a apporté à la descrip- tion de la transition d’après-midi. Dans ce tableau, on rappelle tout d’abord les apports et les limites des observations et de la modélisation dans le cadre de notre étude. En- suite, les principaux résultats de notre étude seront regroupés autour des trois questions générales posées en introduction, concernant :
– les limitations des définitions et des lois d’échelles,
– l’évolution des caractéristiques turbulentes dans le temps, mais également au sein même de la couche limite,
– le rôle des différents processus et forçages.
Enfin, certaines pistes qu’il nous semblerait intéressant d’explorer pour poursuivre cette étude seront suggérées.
ont permis d’étudier la turbulence et l’évolution de la structure verticale de la basse troposphère.
En effet, la décroissance de la turbulence a été documentée à tous les niveaux ver- ticaux de la couche limite grâce :
– au déploiement de nombreuses stations de mesures rapides en surface qui nous ont permis d’étudier le comportement des différents couverts végétaux pendant la TA et d’évaluer le lien entre la flottabilité et la décroissance de la turbulence en surface,
– au déploiement de deux ballons captifs au-dessus d’une lande et d’un champ de maïs juxtaposés, qui nous ont permis d’évaluer l’influence de chaque surface sur les cents premiers mètres d’atmosphère,
– et enfin, aux observations fournies par deux avions, qui ont constitué des obser- vations précieuses de la turbulence au sein de la couche limite pendant la TA. Le deuxième point fort de cette étude est la comparaison très satisfaisante entre les observations d’un cas d’étude, le 20 juin 2011, et d’une simulation (LES) semi- idéalisée. Malgré la complexité de la réalité et la simplification de la simulation (surface homogène, pas de relief), la plupart des processus turbulents observés et leur évolution dans le temps ont été bien reproduits par la LES. Ce n’était pas nécessairement un résultat attendu car outre les différences de résolutions temporelle et spatiale ainsi que la différence de dimension des domaines explorés et simulés, les outils utilisés en pé- riode transitoire possèdent des limites -qui seront décrites par la suite- qui auraient pu mettre à mal cette comparaison. La LES a fourni une meilleure couverture temporelle et spatiale des données, a permis d’accéder à des paramètres atmosphériques et d’étudier des processus physiques difficilement accessibles (voir inaccessibles) par les observations (comme par exemple les termes du bilan d’énergie cinétique de la turbulence). Enfin, la réalisation d’une série de tests de sensibilité, à partir du cas semi-idéalisé du 20 juin 2011, a permis d’identifier l’impact de différents paramètres ou processus tels que l’im- portance de l’heure d’initialisation d’une simulation pour l’étude de la décroissance de la turbulence et le rôle du cisaillement sur la décroissance de la turbulence.
Un certain nombre de difficultés sont apparues au cours de cette étude. Le caractère transitoire de la période d’étude provoque des limites d’utilisation des outils de mesure et de certains calculs. Par exemple, l’observation aéroportée, ou même l’observation à point fixe dans la couche de surface, nécessitent de travailler sur des échantillons assez grands pour répondre à des critères de représentation statistique de toutes les échelles de la turbulence, mais suffisamment petits (ou courts) pour respecter les hypo- thèses d’homogénéité. Si ces conditions ne sont déjà pas faciles à respecter en conditions convectives, elles le sont encore moins en fin de journée. C’est la raison pour laquelle nous n’avons pas calculé de flux et de valeurs d’entraînement avec les données aéropor- tées durant la TA mais nous sommes concentrés sur l’étude des spectres.
Une autre limite provient de la difficulté d’étudier le rôle des hétérogénéités de surface. D’un point de vue expérimental, l’originalité et la diversité des stratégies de vol des ballons captifs ont rendu contraignantes l’analyse et la comparaison des données au- dessus des deux surfaces. Une stratégie unique et répétée pour l’ensemble des journées aurait sans doute facilité l’analyse.
Par ailleurs, l’impact de l’hétérogénéité de surface, rediscuté au §7.2, aurait sans
doute été plus net si la taille de l’hétérogénéité de surface avait été plus grande. Une autre limite qui est apparue concerne l’étude du rôle de la forêt sur la turbulence atmosphérique. L’étude de la forêt est très complexe et nécessiterait une campagne de mesures spécialement dédiée à cela, ce qui n’était pas l’objectif de BLLAST. Cependant, le comportement très différent de la forêt pendant la TA aurait nécessité d’être étudié de manière plus approfondie, par exemple à l’aide de mesures au-dessus de la forêt à des hauteurs en dehors de la couche de rugosité, avec un mât plus haut.
D’un point de vue de la modélisation, notre simulation présente aussi un certain nombre de limites. Tout d’abord, la résolution choisie n’a pas permis de comparer les observations en surface avec notre modèle, le sous-maille ayant une trop grande impor- tance en-dessous de 100 m. La compréhension des processus turbulents est aussi limitée par la paramétrisation des petites échelles. Enfin, le modèle LES servant à notre étude repose sur une paramétrisation de Smagorinsky qui sur-évalue la dissipation.
Ainsi, l’utilisation combinée des observations et de la LES, malgré leurs limites respectives, constitue la principale richesse de cette étude. Grâce à elle, notre com- préhension du devenir des définitions et des lois de normalisation, de l’évolution des caractéristiques turbulentes et du rôle des différents processus et forçages pendant la transition d’après-midi s’est nettement améliorée.