Les processus de fine échelle responsables du transport des vents forts dans la tempête méditerranéenne Adrian

The fine-scale processes responsible for transporting strong winds in the Mediterranean windstorm Adrian

• Auteur / Autrice : Wahiba Lfarh
• Direction : Jean-Pierre Chaboureau, Florian Pantillon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océan, Atmosphère, Climat
• Date : Soutenance le 19/12/2023
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Aérologie (Toulouse ; 1983-....)
• Jury : Président / Présidente : Didier Ricard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gwendal Rivière, Marie-Noëlle Bouin, Davide Faranda
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sophie Bastin, Emmanouil Flaounas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interaction mer-atmosphère

Méditerranée (région)

Tempêtes

Modèles mathématiques

Vents

Mots clés libres

Tempêtes

Simulations aux grands tourbillons

Rafale de vent

Rouleaux convectifs

Flux air-mer

Windstorms

Large eddy simulations

Windgusts

Convectifs rolls

Air-sea fluxes

Résumé

Les dégâts importants causés par les tempêtes des moyennes latitudes sont en grande partie dus aux rafales de vents qui les accompagnent. Ces rafales résultent du transport de vents forts vers la surface. Les processus de fine échelle qui régissent ce transport restent largement méconnus, en raison de leurs échelles spatiales et temporelles restreintes. De plus, les vents sur mer sont influencés par les processus d'échange à la surface qui sont incertains en conditions de tempête. Des simulations à résolution hectométrique avec le modèle atmosphérique Méso-NH sont utilisées ici pour mieux comprendre ces processus. La thèse se concentre sur la tempête Adrian qui s'est formée en Méditerranée occidentale le 29 octobre 2018 causant de gros dégâts en Corse. Dans un premier temps, une analyse à méso-échelle de la tempête Adrian basée sur des observations et des simulations kilométriques montre un développement rapide et intense marqué par vitesses de vent exceptionnelles au cours de l'après-midi. Sur la base d'une approche lagrangienne, les vents les plus forts sont attribués à une bande transporteuse d'air froid. Dans un second temps, une simulation aux grands tourbillons (large-eddy simulation) est réalisée avec une résolution horizontale hectométrique sur un grand domaine pour représenter à la fois la dynamique à méso-échelle et les caractéristiques à fine échelle de la tempête. Dans les régions des vents forts, cette simulation montre que la couche limite est organisée en rouleaux convectifs orientés dans la direction du vent. Ces rouleaux convectifs d'une taille de 2~km environ sont responsables du transport des vents forts de la bande transporteuse d'air froid vers la surface. La présence des rouleaux est favorisée sur mer en raison du fort cisaillement de vent et de l'interaction intense entre l'air froid et sec provenant du golfe du Lion et la surface de la mer chaude. Dans le but d'évaluer le rôle des échanges à l'interface air-mer sur le mélange vertical et le vent de surface, des tests de sensibilité à la représentation des flux turbulents de surface sont réalisés à résolution hectométrique. Les résultats mettent en évidence la sensibilité des rouleaux convectifs aux flux de chaleur, qui sont augmentés par la prise en compte de l'effet des embruns marins. Ces derniers renforcent l'instabilité thermique, entraînant des rouleaux plus étroits s'étendant sur des hauteurs plus importantes. Le transport de quantité de mouvement vers le bas est alors intensifié, conduisant à des vitesses de vent plus élevées à la surface. En absence des flux de chaleur sensible et de quantité de mouvement en surface, les rouleaux convectifs perdent en intensité et se dissipent rapidement. Au contraire, les flux de chaleur latente ont un impact mineur sur l'organisation des rouleaux. Les résultats de cette thèse mettent en évidence le rôle des rouleaux convectifs dans la formation des rafales de vent dans les tempêtes et la nécessité de mieux les représenter dans les paramétrisations de la couche limite. Ils révèlent également l'importance de la représentation des flux à l'interface air-mer qui influencent le transport des vents forts vers la surface. Ces deux aspects sont essentiels pour améliorer la prévision des vents dans des conditions de tempêtes.

The extensive damages caused by mid-latitude windstorms are mainly due to the associated wind gusts. These gusts result from the transport of strong winds to the surface. The fine-scale processes controlling this transport remain poorly known, because of their small spatial and temporal scales. Moreover, the winds over sea are influenced by surface exchange processes, which are uncertain under windstorm conditions. Here, simulations at hectometric resolution are performed with the atmospheric model Meso-NH for a better understanding of these processes. The thesis focuses on the windstorm Adrian, which formed in the western Mediterranean on October 29, 2018, causing widespread damage in Corsica. Firstly, a mesoscale analysis of Adrian, using observations and kilometric simulations, shows a rapid and intense development accompanied by exceptional wind speeds during the afternoon. Using a Lagrangian approach, the strongest winds are attributed to a cold conveyor belt. Secondly, a large-eddy simulation is performed with hectometric horizontal resolution over a large domain to represent both the mesoscale dynamics and fine-scale characteristics of the windstorm. In strong wind regions, this simulation reveals that the boundary layer is organized into convective rolls oriented in the wind direction. These convective rolls, about 2~km in size, are responsible for transporting strong winds from the cold conveyor belt to the surface. The presence of the rolls is favored over the sea due to strong wind shear and the intense interaction between cold, dry air from the Gulf of Lion and the warm sea surface. In order to assess the role of exchanges at the air-sea interface on vertical mixing and surface wind, sensitivity tests on the representation of surface turbulent fluxes are carried out at hectometric resolution. The results highlight the sensitivity of convective rolls to heat fluxes, which are enhanced by the effect of sea spray. The latter reinforces thermal instability, resulting in narrower rolls extending over greater heights. The downward transport of momentum is then intensified, leading to higher wind speeds at the surface. In the absence of sensible heat and momentum fluxes at the surface, convective rolls lose intensity and dissipate rapidly. In contrast, latent heat fluxes have a minor impact on roll organization. The findings of this thesis highlight the contribution of convective rolls to the formation of wind gusts in windstorms, and the need to better represent them in boundary layer parameterizations. They also reveal the importance of accurately representing the fluxes at the air-sea interface that influence the transport of strong winds towards the surface. Both aspects are essential for improving wind forecasts in windstorms conditions.