Vers le Transport Multi-Echelles de Panaches Fins

Towards Multi-Scale Transport of Sharp Plumes

• Auteur / Autrice : Sakina Takache
• Direction : Thomas Dubos, Sylvain Mailler
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides et des solides, acoustique
• Date : Soutenance le 06/12/2021
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de météorologie dynamique (Palaiseau ; 1968-....)
• Jury : Président / Présidente : Riwal Plougonven
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thomas Dubos, Sylvain Mailler, Yelva Roustan, Frédéric Chevallier, Christine Lac, Emmanuel Audusse
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Yelva Roustan, Frédéric Chevallier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Calcul adaptatif

Physique mathématique

Mécanique des fluides

Physique de l'atmosphère

Analyse numérique

Mots clés libres

Maillage

Modèle de chimie-Transport

Modélisation numérique

Chimere

Dynamico

Atmosphère

Meshes

Chemistry-Transport modelling

Numerical modelling

Chimere

Dynamico

Atmosphere

Résumé

La distribution d’aérosols et de gaz trace dans l’atmosphère résulte del’émission d’espèces gazeuses et particulaires primaires, ainsi que deleur transport, de leur sédimentation et de leurs transformations(photo)chimiques. La modélisation de ces processus dans l’atmosphèrepeut s’aborder au travers de modèles de chimie-transport d’échelleglobale ou régionale.Le modèle CHIMERE, développé en grande partie au LMD (Mailler et al.,2017), est un modèle de chimie-transport régional, récemment étendu auxéchelles hémisphériques, qui permet d’aborder ces phénomènes sur unegrande gamme d’échelles, allant de l’échelle d’une ville à celle d’unhémisphère. Il est toutefois difficile d’utiliser ce modèle pourreprésenter les interactions entre phénomènes de petite échelle(pollution de la couche limite urbaine) et de grande échelle (transportà l’échelle continentale ou hémisphérique) de panaches denses de gaz etd’aérosols, issus par exemple d’émissions de panaches volcaniques, defeux de forêt, ou d’aérosols désertiques. Cette limitation est un effetde l’impossibilité d’utiliser le modèle sous sa forme actuelle avec undomaine à maille non structurée, seul type de maillage permettant uneréelle variation de la résolution en fonction de zones d’intérêtdéfinies par le modélisateur (zones urbaines, zones d’émission). Cettelimitation est commune à la totalité des modèles de chimie-transportexistants à l’heure actuelle, pouvoir la lever serait donc un importantpas en avant pour la compréhension des interactions d’échelle dans ledomaine de la chimie atmosphérique.Une façon de lever ces limitations serait de remplacer le maillagecartésien de CHIMERE par un maillage non-structuré. En effet lesmaillages non-structurés permettent de faire varier la résolution dansl'espace et de concentrer les ressources de calcul dans les quelquesrégions clés (p.ex. près d'une éruption volcanique) où une hauterésolution spatiale est réellement nécessaire. Introduire une telleflexibilité multi-échelle représenterait un pas important pour lamodélisation des interactions d'échelles en chimie atmosphérique, etpermettrait potentiellement des percées dans la compréhension de cesinteractions.DYNAMICO, le modèle de circulation générale atmosphérique développérécemment au LMD et au LSCE (Dubos et al., 2015) est basé sur desmaillages de Voronoi non-structurés sphériques. L'objectif de cettethèse est de contribuer à l'évaluation de méthods numériques empruntéesà DYNAMICO pour le transport à grand échelle de panaches fins. A cettefin nous comparons la performance numérique de schémas de transportformulés sur maillage non-structuré (Dubey et al., 2015) à celle deschémas similaires formulés sur un maillage cartésien sphérique évitantles pôles. Des schémas d'ordre varié et avec différents traitements del'intégration temporelle sont implémentés pour chacun des deux types demaillage. Un jeu de cas-test est utilisé pour évalué différentespropriétés des paires maillage-schéma. Différentes métriques permettentd'étudier les propriétes de stabilité, monotonocité, convergence etdiffusion numérique. Alors que l'on pouvait s'attendre à une meilleureperformance des schémas cartésiens par rapport à aux schémasnon-structurés de complexité similaire, nous trouvons qu'un schéma de lafamille des schémas de Van Leer a une performance comparable à un schémasimilaire sur maillage cartésien, schéma qui est proposé par défaut parle modèle CHIMERE de façon opérationnelle. Au-delà de ces expériencesnumériques bidimensionnelles idéalisées, nous comparons la performancede ces deux schémas dans un contexte tridimensionnel réaliste inspiré del'éruption du volcan Puyehue en 2011. Ce nécessaire jalon doit êtrecomplété par des expérience à résolution variable pour mener à uneévaluation complète des mérites de la modélisation multi-échelles pourles applications en chimie-transport.

The distribution of aerosols and trace gases in the atmosphere resultsfrom the emission of primary gaseous and particulate matter, as well astheir transport, sedimentation and (photo-)chemical transformations.Understanding and quantifying these processes in the atmosphere can beaddressed through the use of global-scale or regional-scalechemistry-transport numerical models.CHIMERE is a chemistry-transport model developed mainly at LMD (Mailleret al., 2017). Initially targeted to urban and regional scales, it wasrecently extended to hemispheric scales in order to address theseprocesses on a wider range. While theoretically possible, it isimpractical to use this model to represent interactions betweensmall-scale processes (e.g. pollution in the urban atmospheric boundarylayer) and large-scale processes (e.g. intercontinental transport)controlling dense plumes of gas and aerosols, resulting for instancefrom massive emissions by volcanic eruptions, forest fires and desertaerosol tempests. Indeed such studies requiring both large domains andhigh resolution have a prohibitive numerical cost due to the formulationof CHIMERE on a regular Cartesian mesh. This limitation is shared by allcurrently operational chemistry-transport models. Additionally,traditional Cartesian longitude-latitude meshes pose a numericalsingularity at the poles, where the longitude lines converge.One way to lift these limitations would be to replace CHIMERE’sCartesian mesh by a fully unstructured mesh. Unstructured meshes supportvariable resolution in space, allowing computational resources to befocused in those few key regions (e.g. volcanic eruption) where highspatial resolution is really required. Allowing such multi-scalecapacity would be a significant step forward in the modelling of scaleinteractions in atmospheric chemistry, and would potentially allowbreakthrough for the understanding of such interactions.DYNAMICO, the atmospheric general circulation model recently developedat LMD and LSCE (Dubos et al., 2015) supports unstructured sphericalVoronoi meshes. It is the goal of this PhD project to contribute to theassessment of the viability of numerical methods borrowed from DYNAMICO forlarge-scale transport of sharp plumes. To this end, we compare thenumerical performance of transport schemes formulated on sphericalunstructured meshes (Dubey et al., 2015) with schemes formulated onCartesian spherical meshes avoiding the poles. Schemes of various orderand different treatments of time integration are implemented in eachmesh framework. A suite of test cases is used to evaluate differentproperties of the mesh-scheme pairings. Various metrics are used tostudy stability, monotonicity, convergence and numerical diffusion.While it could be anticipated that Cartesian schemes perform better thantheir unstructured counterpart of similar complexity, we find that ascheme of the Van Leer family on the unstructured mesh has a comparableperformance to a similar scheme on a Cartesian mesh, which is the defaultscheme used operationally by CHIMERE. Beyond these idealizedtwo-dimensional numerical experiments, we compare the performance of thetwo schemes in a realistic, three-dimensional setting mimicking theeruption of the Puyehue volcano in 2011. This necessary milestone is tobe complemented by experiments with variable-resolution meshes leadingto a full assessment of the merits of multi-scale-modellingchemistry-transport applications.