HAL Id: tel-00606115
https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00606115
Submitted on 5 Jul 2011
HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.
L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.
en relief complexe. Application aux épisodes de pollution particulaire des vallées alpines.
Yann Largeron
To cite this version:
Yann Largeron. Dynamique de la Couche Limite Atmosphérique stable en relief complexe. Application
aux épisodes de pollution particulaire des vallées alpines.. Océan, Atmosphère. Université de Grenoble,
2010. Français. �tel-00606115�
Pour obtenir le grade de
Doteur de l'Université de Grenoble
Eole Dotorale : Terre Univers Environnement
Spéialité : Oéan, Atmosphère, Hydrologie
Présentée etsoutenue publiquement par
Yann Largeron
le26 novembre 2010
Dynamique de la Couhe Limite
Atmosphérique Stable en relief omplexe
Appliation aux épisodes de pollution partiulaire
des vallées alpines
Direteurs de thèse :
ChantalStaquet(Prof.Univ. de Grenoble)
Jean-Pierre Chollet (Prof.émérite Univ. de Grenoble)
Jury :
Joan Cuxart Rapporteur Univ. Baléares, Palma
PhilippeDrobinski Rapporteur LMD - Eole Polytehnique, Paris
Sandrine Anquetin Présidente LTHE, Grenoble
ValeryMasson Examinateur CNRM- Météo Frane, Toulouse
Bertrand Carissimo Examinateur CEREA, Paris
Chantal Staquet Examinateur LEGI,Grenoble
Jean-Pierre Chollet Examinateur LEGI,Grenoble
Thèsepréparée au seindu
L'étude seonentre sur l'analysede la dynamiquede la Couhe Limite Atmo-
sphériquestableethivernaleen vallée,notamment dansdessituationsonduisantà
desépisodesdepollutionpartiulaire. L'analyseesteetuéeàpartirdesimulations
numériques de typeLES etde mesuresloales.
Dansunepremièrepartie,onétudielesventsatabatiquesprenantnaissanesur
lespentesdesvalléesenaissées.Onmontrequ'ilssontinstationnaires,inhomogènes
etturbulents,queleurdiusivitéturbulenteévoluequadratiquementavelenombre
deFroudeetdéroîtavelastratiationambiante.Ons'intéresseensuiteauhamp
d'ondesinternes généréparesvents.Ontrouvequesafréquenene dépend quede
la stratiation et est indépendante des aratéristiques des vents qui lui donnent
naissane.
Dans une seonde partie, on s'intéresse au système de vents de vallées et aux
inversions thermiquesdansles vallées Grenobloises.Lesonditions météorologiques
onduisant auxépisodesde pollution sont étudiéesetleur lien aveles méanismes
préédentsest expliité.Onmontre que esépisodessedéroulent toujours dansun
ontexte antiylonique, sont induits par la présene d'une inversion et que leur
évolution estliée à elledesrégimes de temps.Pendant esépisodes, lesystèmede
vents loal est toujours similaire, indépendant du régime synoptique et onstitué
de vents thermiques,dont l'organisation spatialeest gouvernéepar lagéométrie du
site. Ces ourants sont ontenus dans la ouhe d'inversion qui persiste pendant
toute la durée de l'épisode et n'est pasdétruite si l'énergie solaire est insusante.
Le seuilénergétiqueorrespondant est misen évidene.
Mots lés : CouheLimite Atmosphérique,Inversions thermiques,Ventsata-
batiques,Cirulations envallée, Ondesinternes, Qualité de l'air, Simulations LES.
Abstrat
The study is fousing on the dynamis of the stably-stratied Atmospheri
Boundary Layer in wintertime in valleys, espeially during situations leading to
P M
10 pollution peaks.Theanalysis ismadebymeans ofLES-like numerial simu-lationand loalmeasurements.
Inarstpart, westudy the katabatiwindsreated overtheslopesofa narrow
valley.We show that they areintermittent and turbulent and that their turbulent
diusivity is proportionnal to the square of a Froude number, and dereases with
theambientstratiation. We alsostudy the internal wave eldgenerated bythese
winds and nd that its frequeny depends only on the stratiation and seems to
be independent oftheharateristis ofits soure.
In a seond part, we study the valley wind system and the thermal inversions
whihourbywinteronditionsinthevalleysoftheGrenoblearea.Meteorologial
onditions leading to pollution episodes in the Grenoble valleys are also studied
and their link with the previous mehanisms is explained. We show that these
episodestakeplaeduringantiylonionditions,areinduedbythermalinversion
and that their evolution is linked to that of the weather regimes. During these
episodes, we show that the loal winds system is always the same, independent
of the synoptial regime and onsists of thermally-driven winds, whose spatial
organization is ontroled by the geometry of the site. These urrents are onned
into a thermal inversion, whih persists during the whole episode, and is however
not destroyedduringthe dayifthe solar energyisnotsuient.Theorresponding
energy treshold ishighlighted.
Key words : AtmospheriBoundaryLayer,Temperature inversions,Katabati
winds, Valley-windsystems,Internalwave eld,Airquality,LES numerial simula-
tions.
Mesremeriementsvonttoutd'abord(sanssurprise)àChantalStaquetetJean-
PierreChollet,mesdireteursdethèse.AChantal,enpartiulierpourm'avoirdonné
l'opportunité de partiiper à toutes les onférenes, éoles d'été et workshops que
je souhaitais, de déouvrir l'importane deséhanges internationauxen matière de
siene et les enjeux des ommuniations sientiques, et pour m'avoir ouvert les
yeuxsurlaréalitédumonde delareherhe.A Jean-Pierre pour sapréseneetson
aideyompris après sondéparten retraite;pour sesreleturesdu présent rapport
ainsiquepoursesonseilssurl'utilisationdesdiversodesdealulsetlenumérique
en général.
Meri auxrapporteursetauxmembresdujurypour avoirévaluémontravailet
lue manusritdansle détail.
Meri également àCharles Chemelpour sonaide etsonassistane, quiontjoué
un rle déterminant dans l'orientation de ma thèse et sans qui j'aurais renontré
enore plus de diultés que je n'en ai renontré... Meri aussi pour ses onseils
sientiques ettehniquesélairés ainsique sonaueilhaleureuxen Angleterre.
Mes remeriements vont ensuite à toute l'équipe de support informatique de
MesoNHàMétéo-FraneetauLaboratoired'AérologiedeToulouse,enpartiulierà
ChristineLACquim'afournidesinformationsetdesonseilstrèsutilesetpréieux,
maisaussià Juan Esobar pour son assistaneinformatique et pour tout letravail
qu'il eetuepour maintenir etmettreà jour leodeMesoNH.
Meri à l'ASCOPARG-COPARLY et en partiulier à Eri Chaxel et Isabelle
Riosquiontprisde leurtempspourouvrirdespossibilitésdeollaboration entrele
LEGIetl'agene dequalité de l'air.
Meri également àMétéo Frane etàSylvain Bigotde l'Institutde Géographie
Alpine,pourm'avoirpermisd'aéderaux(malheureusement rares)mesuresmétéo
de larégion Grenobloise.
Meri à la région Rhne-Alpes et au Cluster de Reherhe en Environnement,
pouravoir nanéette étudeetpermis saréalisation.
Meri aussiaux organisateurs (pour leurtravail) etauxpartiipants(pour leur
bonne humeur et/ou leur amitié) : d'ERCA 2008, de la
14
eme CMM à Vanouver(2008),delasessionABLdel'EoledesHouhes(2008),d'ICAM2009àRastaat,de
l'EGU2009à Wien,duWorkshopWavesandInstabilities de Porquerolles (2009),
desstagesde formationMesoNH (2007et2010).
le CIESpour laqualité des stagesde formation qu'il organise, Rihard Montvoisin
pour son inititation très enrihissante à l'esprit ritique et la zététique, Mar
Legrand, pour m'avoir transmis la foi du onstrutivisme et tous les autres
responsables etformateurs du CIES. Meri également à Philippe Séhet, de l'INP,
qui m'a permis d'intervenir àl'ENSE3 plutt qu'à l'ENSGI...
Sur un plan plus personnel, je tiens à remerier eux (et elles!) qui ont eu
une inidene plus forte sur ma vie que mon travail de thèse et ont ontribué
à mon bon équilibre mental au ours de es années. En partiulier, meri au
GMUC 1
sans qui es trois ans n'auraient pas eu la même saveur! Notamment
meri à Thomas, Olivier, Grisou, Céline.H, Prez, Céline.G, Mikael, Diane, Stefan,
Marmiton, Guénolé, Thomas.P etles autres... Meri à voustous pour es instants
d'amitié divers etvariés!
Meriégalement àtouseuxquim'ont aompagnédansmesvadrouillesautour
du monde. En partiulier meri à Benjamin, Aubry, Nio, Thom et Olivier. Tous
esmoisdevoyagesave vousfontpartiedemesmeilleurssouvenirsdeesquelques
années!
Ennje nesaurais jamaisassezremerier Aude,quim'aompagnedanstoutes
lesironstanes,nourritmesrêves,faitresplendirmes ambitionsetmesprojetsles
plusfousparsonamouretmedonnelaforede roireàtoutequej'entreprends...
1
Introdution générale 1
Contexteetmotivations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Artiulation générale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
I Eléments de physique atmosphérique 5 1 Eléments de météorologie 7 Introdution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1 Le systèmeatmosphérique :Struture, éhelles, omportement . . . . 8
2 Cirulation synoptique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3 Couhe Limite Atmosphérique (CLA) . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4 Bilanthermiquedu sol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Conlusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2 Dynamique atmosphérique en zone de montagne 23 Introdution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1 Modiation del'éoulement synoptiquepar lerelief . . . . . . . . . 24
2 Système devents devallée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3 Inversion thermique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Conlusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3 Modélisation numérique de l'atmosphère 37 Introdution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
1 Lesmodèles atmosphériques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2 LesodesARPS etMesoNH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3 Lesmodèles de solde ARPS etSURFEX . . . . . . . . . . . . . . . 44
Conlusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
II Dynamique de la Couhe Limite Atmosphérique Sta-
ble et Hivernale d'une vallée enaissée 49
4 Vents atabatiques, instationnarités et ondes internes 53
Introdution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
1 Méthodologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2 Ventsatabatiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3 Champ d'ondes de gravitéinternes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4 Etude de sensibilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
DisussionetConlusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5 Quantiation du mélange turbulent dans les vents atabatiques 79 Introdution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
1 Mélange turbulent :onsidérations théoriques . . . . . . . . . . . . . 81
2 Méthodologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3 Struturedynamique etturbulente duvent atabatique. . . . . . . . 89
4 Quantiation du mélangeturbulent . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5 Modèlisationde ladiusivité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
DisussionetConlusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
De la modélisation simplifiée aux situations réalistes 105 III Dynamique de la Couhe Limite Atmosphérique Sta- ble et Hivernale des vallées Grenobloises 107 Objet de l'étude 109 6 Pollution partiulaire et stabilité atmosphérique 113 Introdution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
1 Le site Grenoblois etses stations demesures . . . . . . . . . . . . . . 115
2 Analyse destempératures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
3 Détermination des épisodesstables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4 Détermination des épisodesde pollutionaux
P M
10 . . . . . . . . . . 1235 Stabilité etpollutionpartiulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
6 Météorologiedes épisodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
Conlusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
7 Système de vents de vallées pendant les épisodes de pollution 135 Introdution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
1 Desription dessimulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
2 Dynamique noturne généraledes5 épisodes. . . . . . . . . . . . . . 140
3 Système de ventsde valléesur leomplexe Grenoblois . . . . . . . . 146
4 Inuenede l'éoulement synoptique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
5 Quantiation du déouplage CLA/TL . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
8 Struture spatiale de la CLA et des ourants thermiques 159
Introdution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
1 Conguration numérique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
2 Stratiationde laCLA enouhes vertiales . . . . . . . . . . . . . 167
3 Struturehorizontale dela CLA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
4 Struturespatiale desourants thermiques . . . . . . . . . . . . . . . 180
5 Zonesde reirulation,de stagnation etdeventilation . . . . . . . . 185
Conlusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
9 Formation, destrution et persistane des inversions thermiques 193 Introdution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
1 Evolutiontemporelledu forçagethermique delaCLA . . . . . . . . 196
2 Intensiation noturne de l'inversion. . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
3 Rédution diurnede l'inversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
4 Evolutionde l'inversionau oursd'une journée . . . . . . . . . . . . 208
5 Evolutionde l'inversionau oursd'unépisode . . . . . . . . . . . . . 213
6 Persistane etdestrution de l'inversion:Modèle énergétique . . . . 217
Conlusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
Conlusion générale et Perspetives 229 Conlusion générale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
Perspetives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
Annexes 236 A Analyse de l'épisode
P 10
239 B Evolution synoptique au ours d'un épisode 243 C Analyse de sensibilité numérique 247 Introdution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2471 Sensibilité auxonditions initiales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
2 Sensibilité àlarésolution vertiale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
3 Disussion:Conditions d'unereprésentation réaliste . . . . . . . . . 257
Conlusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
D Champs de vents des 5 épisodes stables 267
E Comparaison mesures/simulation de l'intensité de l'inversion 275
Bibliographie 279
Contexte et motivations
Contexte limatique
Sur le territoire Européen, limatiquement marqué par diverses inuenes
(oéanique, ontinentale, méditerrannéenne et artique), les zones de montagnes
onstituent souvent des enlaves dans lesquelles le limat ontraste ave elui des
plainesontiguës([Guiter,1975℄).Lestendaneslimatiquessontalorsnuanéespar
le relief et l'altitude, mais également par les spéiités géographiques et géomor-
phologiquesloales.Suivantl'expositionauxventsdominants,oul'isolement ontre
les perturbationsatmosphériques, learatère mirolimatique peut êtrefort.
Spéiités atmosphériques loales
Cespartiularitéslimatologiquespuisentleurexistenedanslaréurrenesurle
longterme de phénomènesphysiquesloaux, totalement induitspar les spéiités
topographiquesdessitesonsidérés.Dufaitdudéouplageavelahautetroposphère
etlesrégimesde ventsrégionaux, lesvalléesenaisséessubissentsouvent l'inuene
de vents thermiques générés loalement, qui donnent naissane à des irulations
auseindesbassesouhesdeleuratmosphère(généralement appelléessystème de
vents de vallées).
Dansesvallées,laonvexitéorographique engendreuneplusgrandeabsorption
durayonnement solaire parle solquesurun site deplaine (à lamême latitude),et
donuneplusforteaumulationdel'énergiethermiquereçueauoursdelajournée
(f [Hawkes, 1947℄). Inversement, la nuit, l'énergie thermique est plus failement
perdueen vallée qu'en plaine. Celàrésulte en des ontrastes thermiques plus forts
danslesvallées.Aleurtour,esontrastesgénèrentdesirulationsatmosphériques
entrelesvalléesetles plainesquionstituentuneautrespéiitédeesrégions.La
dynamiqueatmosphériqueestalorsplussensibleenvalléequ'enplaineauxvariations
duuxsolaire,etparonséquentauxylessaisonniers.Ainsi,l'évolutionjournalière
de la struture atmosphérique dans les vallées est très dépendante de la saison (f
[Whiteman,2000℄) : en hiver, notamment, l'inuene du refroidissement noturne
peutperdurer toute lajournée.
Outre les irulations thermiques, ette plus grande sensibilité thermique in-
