Étude des interactions des ondes de montagne piégées avec la couche limite

Study of the interactions between trapped mountain waves and the boundary layer

• Auteur / Autrice : Clément Soufflet
• Direction : François Lott
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de l'atmosphère
• Date : Soutenance le 23/11/2020
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l'environnement d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de météorologie dynamique (Palaiseau ; 1968-....)
• Jury : Président / Présidente : Pascale Bouruet-Aubertot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Aymeric Spiga, Anton Beljaars
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Millet, Marie Lothon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mécanique des fluides

Couche limite

Ondes de relief

Mots clés libres

Ondes de montagne

Ondes piégées

Niveau critique

Couche limite

Instabilité de Kelvin-Helmholtz

Traînée orographique

Mountain lee waves

Boundary layer

Instability

Résumé

Ces travaux de thèse, réalisés dans un cadre théorique et validés à l'aide de modèles non linéaires, ont pour objectifs d'approfondir les connaissances théoriques concernant les interactions entre les écoulements forcés par les montagnes et la couche limite. On montre que, dans le cas linéaire, lorsque le vent incident à la surface est faible, les ondes piégées ne sont plus induites par un confinement à bas niveau mais sont analogues à des instabilités de Kelvin-Helmholtz. Elles sont alors conditionnées par la stabilité dynamique de l'écoulement à la surface et favorisées pour des valeurs du nombre de Richardson J<0.25. Pour des reliefs plus élevés, la dynamique non linéaire modifie la stabilité de l'écoulement en aval et les ondes piégées sont inhibées pour des écoulements initialement instables près du sol. A l'inverse pour des écoulements initialement stables à la surface, l'apparition d'effet de Foehn déstabilise l'écoulement en aval, les ondes piégées sont alors dues au développement d'instabilités dans le sillage de la montagne. Les ondes piégées sont liée à la stabilité dynamique de l'écoulement en aval, particulièrement lorsque que le vent incident est faible près de la surface. Ces résultats sont confirmés lorsque la dynamique de la couche limite est représentée de manière simplifiée à l'aide d'un coefficient de viscosité constant, les interactions entre la topographie et l'écoulement moyen sont alors évaluées en estimant les flux de quantité de mouvement. On montre que la transition entre le régime de traînée turbulente dû à la dynamique de la couche limite et le régime de traînée orographique dû aux ondes de gravité se propageant verticalement apparaît pour J ~ 1.

These thesis works, carried out within a theoretical framework and validated using non-linear models, aim to deepen theoretical knowledge concerning the interactions between the flows forced by mountains and the boundary layer. It is shown that in the linear case, when the incident wind at the surface is low, the trapped lee waves are no longer induced by low-level confinement but are analogous to Kelvin-Helmholtz instabilities. They are conditional to the surface flow stability and favoured for values of the Richardson number J<0.25. For higher mountains the non-linear dynamics modify the downstream flow stability and trapped waves are inhibited for initially unstable flow near the ground. Conversely, for initially stable flow at the surface, the onset of the Foehn effect destabilises the downstream flow and the lee waves are then due to the development of instabilities in the wake of the mountain. Trapped waves are then related to the dynamic stability of the downstream flow, especially when the incident wind is weak near the surface. These results are confirmed when the boundary layer dynamics is represented using a constant viscosity coefficient, the interactions between topography and mean flow are then evaluated by estimating momentum flux. It is shown that the transition between the turbulent drag regime due to boundary layer dynamics and the orographic drag regime due to vertically propagating gravity waves occurs at J ~ 1.