Modélisation de cisaillements de vent et assimilation de données dans la couche limite atmosphérique

Modelling windshear situations and data assimilation in the boundary layer

• Auteur / Autrice : Alexandre Boilley
• Direction : Jean-François Mahfouf
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de l'atmosphère
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Couche limite (météorologie)

Simulation par ordinateur

Cisaillement du vent

Mots clés libres

Météorologie

Couche limite atmosphérique

Cisaillement de vent

Modélisation numérique

Méso-nh

Haute résolution

Assimilation

Nudging

Profileur de vent

Lidar vent

Traitement du signal

Nice

Aéroport

Résumé

L'objectif de cette thèse est d'étudier la capacité des modèles météorologiques à prévoir des épisodes de cisaillements de vent dans les basses couches de l'atmosphère sur une zone limitée à un aéroport et d'examiner l'apport pour la modélisation d'observations locales à haute fréquence. Nous avons choisi l'aéroport international de Nice, régulièrement soumis à des variations rapides de la direction et de l'intensité du vent selon l'horizontale dans la CLA, appelées aussi renverses. Un profileur de vent et trois anémomètres sont installés sur les pistes de l'aéroport. Au début de l'année 2009, une campagne de mesures incluant un lidar vent à balayage et un anémomètre sonique s'est déroulée sur l'aéroport fournissant des observations complémentaires. L'ensemble des mesures à haute fréquence temporelle et des simulations numériques obtenues avec le modèle de recherche Méso-NH à 2. 5 km de résolution, a fourni une vision de l'enchaînement complexe des écoulements conduisant à des cisaillements de vent d'origine différente. Cette complémentarité a aussi permis d'estimer la capacité du modèle numérique à reproduire les cisaillements de vent. Pour les trois situations étudiées, il reproduit la structure horizontale et verticale de l'écoulement malgré des erreurs de placement spatio-temporel. Bien que les écoulements locaux participent à la mise en place des conditions nécessaires au cisaillement de vent, c'est l'écoulement de méso-échelle (ondes piégées ou talweg d'altitude) qui va déterminer la position du phénomène. Nous avons réalisé des comparaisons avec le modèle opérationnel de Météo-France AROME ainsi que des tests de sensibilité pour étudier l'influence des conditions de couplage et de la résolution. Nous avons, en particulier, augmenté la résolution horizontale de 2. 5 km à 500 m sur un domaine centré sur l'aéroport de Nice sur les situations étudiées. Une résolution de 500 m permet d'améliorer la représentation d'écoulements locaux et de variations locales du vent mais n'améliore pas la position des cisaillements de vent par rapport à une échelle plus grossière. L'extension horizontale limitée du domaine à haute résolution augmente la sensibilité aux conditions aux limites de grande échelle. Pour améliorer les prévisions et contraindre le modèle numérique vers les observations disponibles sur le site d'étude, un système d'assimilation de données basé sur le 'nudging' et permettant de prendre en compte des données à haute fréquence temporelle, le ''nudging direct et rétrograde'' (BFN pour 'Back and Forth Nudging'), a été mis en place. Nous avons appliqué cet algorithme aux équations de Lorenz pour confirmer le comportement de cette méthode par rapport à des résultats publiés antérieurement avec d'autres méthodes d'assimilation de données. Les résultats encourageants, ont conduit à l'introduction du BFN dans Méso-NH. Nous avons mis en place des simulations avec assimilation de données simulées dans des conditions idéalisées qui ont montré une réponse cohérente du modèle numérique à l'introduction de profils verticaux de vent.

The objective of this thesis is to study the ability of numerical weather prediction model to represent windshears in the lower layer of the atmosphere over an airport area and to determine the impact of high temporal frequency observations on predictions. The study focuses on the international Nice Côte d'Azur airport where horizontal windshears, also called wind reversals, happen regularly. A wind profiler and three anemometers were installed on the Nice airport runways. At the beginning of 2009, a field campaign with a wind lidar and a sonic anemometer took place in order to provide additional observations. Both high temporal frequency data and numerical simulations performed with the mesoscale research model Meso-NH supply a general picture of the evolution of the various flows leading to a windshear event over the airport. We also use observational data to validate the model predictions for three different situations of windshear. The simulations reproduce quite well the horizontal and vertical structure of the flow despite a spatio-temporal misplacement. Local flows such as land and valley breezes are important to generate low level conditions for a horizontal windshear event but the front position is mostly influenced by mesoscale flow (trapped gravity waves or low geopotential). We compared the Meso-NH simulations with the results of the operational model AROME and carried out sensitivity testing against initial and coupling conditions at 2. 5 km resolution. We then ran experimental simulations at 500 m resolution, centered on the airport platform, to evaluate the impact of an increased resolution on the windshear predictions. Such a resolution provides improvement of local flow and generates rapid and local wind changes but does not improve the windshear front position compared to a 2. 5 km resolution simulation. Moreover the small horizontal grid domain increased the sensitivity to large scale lateral boundary conditions. In order to constrain numerical simulations toward high temporal frequency observations we considered a data assimilation system based on the nudging technique called the 'Back and Forth Nudging' (BFN) technique. We first applied this algorithm to the Lorenz system to compare its behaviour with published results considering other data assimilation techniques. The promising results allowed the implementation of the BFN within the Meso-NH model. We performed assimilation experiments in idealized conditions with high temporal frequency of wind profiles that show a consistent response of the model.