Thèses et HDR soutenues

Modélisation et simulation numérique de la dynamique des nanoparticules appliquée aux atmosphères libres et confinées
- Devilliers Marion
, 2012 . Il est probable qu'à terme les émissions de nanoparticules soient réglementées et ce sont donc les concentrations en nombre qui seront considérées. Il convient donc d'adapter les modèles afin de pouvoir simuler correctement les concentrations en nombre, dans les ambiances confinées comme dans l'atmosphère. Un modèle de dynamique des particules capable de suivre avec autant de précision la concentration en nombre que la concentration en masse, avec un temps de calcul optimal, a été développé. La dynamique des particules dépend de divers processus, les plus importants étant la condensation/évaporation, suivie par la nucléation, la coagulation, et les phénomènes de dépôts. Ces processus sont bien connus pour les particules fines et grossières, mais dans le cas des nanoparticules, certains phénomènes additionnels doivent être pris en compte, notamment l'effet Kelvin pour la condensation/ évaporation et les forces de van der Waals pour la coagulation. Le travail a tout d'abord porté sur le processus de condensation/évaporation, qui s'avère être le plus compliqué numériquement. Les particules sont présumées sphériques. L'effet Kelvin est pris en compte car il devient considérable pour les particules de diamètre inférieur à 50 nm. Les schémas numériques utilisés reposent sur une approche sectionnelle : l'échelle granulométrique des particules est discrétisée en sections, caractérisées par un diamètre représentatif. Un algorithme de répartition des particules est utilisé, après condensation/évaporation, afin de conserver les diamètres représentatifs à l'intérieur de leurs sections respectives. Cette redistribution peut se faire en terme de masse ou de nombre. Un des points clé de l'algorithme est de savoir quelle quantité, de la masse ou du nombre, doit être redistribuée. Une approche hybride consistant à répartir la quantité dominante dans la section de taille considérée (le nombre pour les nanoparticules et la masse pour les particules fines et grossières) a été mise en place et a permis d'obtenir une amélioration de la précision du modèle par rapport aux algorithmes existants, pour un large choix de conditions. Le processus de coagulation pour les nanoparticules a aussi été résolu avec une approche sectionnelle. La coagulation est régie par le mouvement brownien des nanoparticules. Pour cette approche, il a été constaté qu'il est plus efficace de calculer le noyau de coagulation en utilisant le diamètre représentatif de la section plutôt que de l'intégrer sur la section entière. Les simulations ont aussi pu montrer que les interactions de van der Waals amplifient fortement le taux de coagulation pour les nanoparticules. La nucléation a été intégrée au modèle nouvellement développé en incorporant un terme source de nanoparticules dans la première section, commençant à un nanomètre. La formulation de ce taux de nucléation correspond à celle de l'acide sulfurique mais le traitement des interactions numériques entre nucléation, coagulation et condensation/évaporation est générique. Différentes stratégies de couplage visant à résoudre séparément ou en même temps les trois processus sont discutées. Afin de pouvoir proposer des recommandations, différentes méthodes numériques de couplage ont été développées puis évaluées par rapport au temps de calcul et à la précision obtenue en terme de concentration massique et numérique (10.70675/008c7cabz0e22z4050za7d3zbd7fe7b5f679)
DOI : 10.70675/008c7cabz0e22z4050za7d3zbd7fe7b5f679
Modélisation multi échelles de l'impact du trafic routier sur la qualité de l'air
- Briant Régis
, 2012 . Le trafic routier contribue à la pollution atmosphérique aussi bien à proximité des voies avec des polluants tels que le dioxyde d'azote (NO2), les particules (PM) et certains composés organiques volatils (COV) qu'à des échelles spatiales plus grandes (pollution de fond urbaine et régionale) avec des polluants formés dans l'atmosphère tels que l'ozone (O3) et la fraction secondaire des particules. Étant donné les interactions entre pollution de proximité et pollution de fond, il est souhaitable de combiner en un seul outil de calcul des modèles à échelles locale et régionale. Cette méthode de modélisation multi-échelles a été largement utilisée pour simuler l'impact des émissions de cheminées (sources ponctuelles) avec des modèles de panache traités en sous-maille d'un modèle eulérien tri-dimensionnel. Cependant, une telle méthode n'est pas applicable à un réseau routier en raison des temps de calcul prohibitifs associés à la discrétisation d'une source linéique en un ensemble de sources ponctuelles. Par conséquent, une nouvelle méthode de modélisation multi-échelles a été développée, qui traite les panaches émis par des sources linéiques en sous-maille d'un modèle eulérien. Tout d'abord, une formulation améliorée d'un modèle gaussien de panache linéique a été développée. Ce nouveau modèle à ensuite fait l'objet d'une évaluation détaillée avec des mesures en proximité de routes ainsi qu'avec d'autres modèles gaussiens. La combinaison de ce modèle gaussien et d'un modèle eulérien (Polair3D) a été implémentée dans la plate-forme de modélisation Polyphemus. Les performances (temps de calcul et précision) du nouveau modèle de panache en sous-maille ont été évaluées et comparées aux performances des modèles gaussien et eulérien seuls. Ce modèle multi-échelles traite la chimie des oxydes d'azote (NOx) et des principaux COV. Le traitement multi-échelles a un effet important sur les concentrations de certains polluants en termes de pollutions de proximité et de fond urbain (10.70675/c1bd6305z0730z4b7ez8efez116b56ef82c8)
DOI : 10.70675/c1bd6305z0730z4b7ez8efez116b56ef82c8
Modélisation des particules organiques dans l'atmosphère
- Couvidat Florian
, 2012 . La formation des aérosols organiques dans l'atmosphère est étudiée via le développement d'un nouveau modèle de formation d'aérosols organiques secondaires nommé H²O (Hydrohilic/Hydrophobic Organics). Dans un premier temps, une paramétrisation de la formation d'aérosols via l'oxydation de l'isoprène est développée. Cette paramétrisation prend notamment en compte l'influence des concentrations d'oxydes d'azote sur la formation d'aérosols et leurs propriétés hydrophiles. Ensuite, H²O incluant cette paramétrisation et d'autres développements est évalué par comparaison aux mesures de carbone organique sur l'Europe. Prendre en compte les émissions de composés semi-volatils primaires gazeux (qui peuvent former des aérosols organiques secondaires après oxydation ou se condenser lors de baisses de température) améliore les performances du modèle de manière significative. En revanche, si les émissions de ces composés ne sont pas prises en compte, il en résulte une très forte sous-estimation des concentrations d'aérosols organiques en hiver. La formation d'aérosols organiques secondaires sur l'Île-de-France durant la campagne d'été de Megapoli (juillet 2009) a aussi été simulée pour évaluer les performances du modèle en zone urbaine. H²O donne de bons résultats sur l'Île-de-France bien que le modèle prévoit un pic d'aérosols organiques, provenant des émissions du trafic durant les heures de pointe, qui n'apparaît pas dans les mesures. La présence de ce pic dans les résultats du modèle peut être due à la sous-estimation de la volatilité des composés semi-volatils primaires. Il est aussi possible que les composés organiques primaires et les composés organiques secondaires ne se mélangent pas et que les composés semi-volatils primaires ne peuvent pas se condenser sur un aérosol organique majoritairement secondaire et très oxydé. Enfin, l'impact de la chimie aqueuse est étudié. Le mécanisme utilisé inclue notamment, la formation d'aérosols organiques secondaires dans la phase aqueuse des nuages par oxydation du glyoxal, du méthylglyoxal, de la méthacroleine et de la méthyl-vinyl-cétone, la formation de méthyltétrols dans la phase aqueuse des particules ou des gouttes d'eau des nuages et le vieillissement des aérosols organiques dans un nuage. L'impact des dépôts humides sur la formation d'aérosols est aussi étudié pour mieux caractériser l'impact des nuages sur les concentrations d'aérosols organiques (10.70675/6596dd55z81e6z494dzbdf9zcedf9bdc5152)
DOI : 10.70675/6596dd55z81e6z494dzbdf9zcedf9bdc5152
Caractérisation des aérosols organiques à Beyrouth, Liban
- Waked Antoine
, 2012 . La connaissance des sources primaires (combustion des énergies fossiles, combustion de la biomasse, éruptions des volcans, etc.) et secondaires (oxydation des composés organiques volatils (COV) suivie de la condensation formant des composés organiques particulaires) de l'aérosol organique ainsi que la caractérisation et la quantification de sa composition chimique restent un défit majeur, en particulier dans la région du Moyen Orient où les études de caractérisation de l'aérosol organique n'existent pas jusqu'à présent. Le Liban, un pays du Moyen Orient qui se situe au bord du bassin méditerranéen, représente un bon exemple pour la caractérisation des aérosols organiques dans cette région. Les travaux menés durant cette thèse s'inscrivent dans un objectif de l'étude de la qualité de l'air à Beyrouth (la capitale du Liban) en se concentrant plus spécifiquement sur les aérosols organiques. Tout d'abord, cette thèse a permis le développement d'un inventaire des émissions pour les gaz et les particules pour le Liban avec une résolution spatiale de 5 km x 5 km et pour la capitale Beyrouth avec une résolution spatiale de 1 km x 1 km. Les résultats obtenus indiquent que le transport routier est la source majoritaire responsable des émissions de monoxyde de carbone (CO), d'oxydes d'azote (NOX) et de composés organiques volatils non méthaniques (COVNM), tandis que les industries et les centrales électriques sont les principaux émetteurs des émissions de dioxyde de souffre (SO2) et des particules primaires. Ensuite, afin de caractériser les concentrations des polluants et plus spécialement la fraction organique des particules, deux campagnes de mesures intensives de 15 jours chacune ont été menées sur un site semi-urbain situé dans la banlieue de Beyrouth. Une première campagne estivale s'est déroulée en juillet 2011 et une deuxième campagne hivernale en février 2012. Ces campagnes, qui s'inscrivent dans le cadre du projet ECOCEM (Emission and Chemistry of Organic Carbon in East Mediterranean Beirut) ont permis une spéciation moléculaire et une catégorisation des sources en été et en hiver de l'aérosol organique au site de mesures où les campagnes ont été menées. En été, les précurseurs biogéniques tels que les monoterpènes et les sesquiterpènes qui aboutissent à la formation des aérosols organiques secondaires biogéniques sont la principale source à cause de l'insolation intensive et les températures élevées qui favorisent les émissions et les réactions de photo-oxydations. En hiver, la combustion de la biomasse est la principale source en raison de la combustion du bois dans le secteur résidentiel pour le chauffage. Enfin, les concentrations ambiantes des polluants à Beyrouth ont été simulées durant le mois de juillet 2011 à partir de données de l'inventaire des émissions développé dans le cadre de cette thèse en utilisant le modèle de chimie-transport Polyphemus/Polair3D. Les concentrations de polluants simulées avec le modèle ont été comparées aux concentrations mesurées durant la campagne estivale afin d'évaluer le modèle. Les résultats obtenus révèlent que le modèle est capable de simuler de manière satisfaisante les concentrations d'ozone (O3), de NOX et la plupart des composés présents dans les particules fines. Les différences entre le modèle et les mesures peuvent résulter des incertitudes dans les données d'entrée qui ont une très grande influence sur les sorties du modèle. Pour cela, une réduction des incertitudes engendrées par les données d'entrée et plus spécifiquement celles liées à l'inventaire des émissions est nécessaire. Par ailleurs, des mesures chimiques sur plusieurs sites sont aussi nécessaires dans le futur afin de mieux évaluer les simulations des concentrations de polluants (10.70675/30ad4effz3007z48fcz878bz60fc9b0c83f4)
DOI : 10.70675/30ad4effz3007z48fcz878bz60fc9b0c83f4
Air quality modeling : evaluation of chemical and meteorological parameterizations
- Kim Youngseob
, 2011 . The influence of chemical mechanisms and meteorological parameterizations on pollutant concentrations calculated with an air quality model is studied. The influence of the differences between two gas-phase chemical mechanisms on the formation of ozone and aerosols in Europe is low on average. For ozone, the large local differences are mainly due to the uncertainty associated with the kinetics of nitrogen monoxide (NO) oxidation reactions on the one hand and the representation of different pathways for the oxidation of aromatic compounds on the other hand. The aerosol concentrations are mainly influenced by the selection of all major precursors of secondary aerosols and the explicit treatment of chemical regimes corresponding to the nitrogen oxides (NOx) levels. The influence of the meteorological parameterizations on the concentrations of aerosols and their vertical distribution is evaluated over the Paris region in France by comparison to lidar data. The influence of the parameterization of the dynamics in the atmospheric boundary layer is important ; however, it is the use of an urban canopy model that improves significantly the modeling of the pollutant vertical distribution (10.70675/56d182baze04dz4546za769z60459b04a72e)
DOI : 10.70675/56d182baze04dz4546za769z60459b04a72e
Estimation des incertitudes et prévision des risques en qualité de l'air
- Garaud Damien
, 2011 . Ce travail porte sur l'estimation des incertitudes et la prévision de risques en qualité de l'air. Il consiste dans un premier temps à construire un ensemble de simulations de la qualité de l'air qui prend en compte toutes les incertitudes liées à la modélisation de la qualité de l'air. Des ensembles de simulations photochimiques à l'échelle continentale ou régionale sont générés automatiquement. Ensuite, les ensembles générés sont calibrés par une méthode d'optimisation combinatoire qui sélectionne un sous-ensemble représentatif de l'incertitude ou performant (fiabilité et résolution) pour des prévisions probabilistes. Ainsi, il est possible d'estimer et de prévoir des champs d'incertitude sur les concentrations d'ozone ou de dioxyde d'azote, ou encore d'améliorer la fiabilité des prévisions de dépassement de seuil. Cette approche est ensuite comparée avec la calibration d'un ensemble Monte Carlo. Ce dernier, moins dispersé, est moins représentatif de l'incertitude. Enfin, on a pu estimer la part des erreurs de mesure, de représentativité et de modélisation de la qualité de l'air (10.70675/67ba6d88zdcdfz4667zbff6z233cabfa2163)
DOI : 10.70675/67ba6d88zdcdfz4667zbff6z233cabfa2163
Contribution à l'estimation des précipitations tropicales : préparation aux missions Megha-Tropiques et Global Precipitation Measurement
- Chambon Philippe
, 2011 . Les précipitations résultent d'un phénomène atmosphérique caractérisé par une variabilité spatiale et temporelle forte. Cette variabilité dans la distribution des pluies et des évènements intenses a des impacts en hydrologie de surface (e.g. inondations) variés selon les régions du monde. Toute modification du climat tropical est associée à une modification du cycle de l'eau et de l'énergie dans ces régions. Dans un contexte de changement climatique, il est donc important de développer des outils permettant d'estimer quantitativement les précipitations, à l'échelle du globe, à la fois sur les surfaces continentales et les surfaces océaniques. Les travaux présentés dans cette thèse s'intéressent à l'observation des précipitations depuis l'espace. En effet, la mesure des pluies nécessite une densité d'observations élevée qui, sur l'ensemble des Tropiques, n'est accessible qu'à partir d'observations spatiales. Depuis plusieurs décades, les moyens satellitaires à disposition ont beaucoup évolué et offrent aujourd'hui une densité d'observations de plus en plus fortes. Grâce aux nouvelles missions déployées telles que Megha-Tropiques au sein de la future constellation GPM (Global Precipitation Measurement), on a accès à un ensemble de systèmes d'observations qui amène à une densité accrue d'observations spatiales. L'estimation quantitative des précipitations n'était possible qu'à l'échelle mensuelle, il est maintenant envisageable d'estimer la pluie par satellite à des échelles de temps de plus en plus fines. Cette thèse s'intéresse aux échelles 1°/1-jour, échelle clé pour les études météorologiques et hydrologiques. Il existe un large spectre de méthodes d'estimations de précipitations par satellite, de qualité inégale. Dans un premier temps, une analyse des produits issus des développements les plus récents montre que leur qualité a atteint un degré suffisant pour être utilisé de manière quantitative aux échelles de temps pertinentes en météorologie. Il apparaît également qu'à ces échelles de temps, il est nécessaire d'utiliser les estimations de cumul de précipitations conjointement avec leurs barres d'erreurs. Une nouvelle méthode d'estimations de précipitations sur l'ensemble de la ceinture tropicale, appelé TAPEER (Tropical Amount of Precipitation with an Estimate of ERrors), est donc développée dans le but d'estimer des cumuls de pluie et leurs erreurs associées à l'échelle 1°/1-jour. Cette approche est fondée sur une méthode de fusion de données de l'imagerie Infrarouge d'une constellation de satellites géostationnaires et d'estimations de taux de pluie issues de radiomètres Micro-ondes d'une constellation de satellites défilant. Des techniques modélisations sont mises en oeuvre afin d'associer une erreur aux cumuls de pluie produits. Une investigation détaillée du bilan d'erreur de la méthode TAPEER montre que les sources principales d'incertitudes sont liées à l'échantillonnage et aux biais systématiques sur les taux de pluie d'intensité moyenne. Une étude sur l'été 2009 révèle l'importance de l'utilisation de la barre d'erreur dans l'analyse de la distribution des pluies, en particulier pour les plus forts cumuls sur la ceinture tropicale (10.70675/008b8bf2zed5az4d48z8293zabd5fec2eb53)
DOI : 10.70675/008b8bf2zed5az4d48z8293zabd5fec2eb53
Three-dimensional modeling of radiative and convective exchanges in the urban atmosphere
- Qu Yongfeng
, 2011 . In many micrometeorological studies, building resolving models usually assumea neutral atmosphere. Nevertheless, urban radiative transfers play an important role because of their influence on the energy budget. In order to take into account atmospheric radiation and the thermal effects of the buildings in simulations of atmospheric flow and pollutant dispersion in urban areas, we have developed a three-dimensional (3D) atmospheric radiative scheme, in the atmospheric module of the Computational Fluid Dynamics model Code_Saturne. The radiative scheme was previously validated with idealized cases, using as a first step, a constant 3D wind field. In this work, the full coupling of the radiative and thermal schemes with the dynamical model is evaluated. The aim of the first part is to validate the full coupling with the measurements of the simple geometry from the ‘Mock Urban Setting Test' (MUST) experiment. The second part discusses two different approaches to model the radiative exchanges in urban area with a comparison between Code_Saturne and SOLENE. The third part applies the full coupling scheme to show the contribution of the radiative transfer model on the airflow pattern in low wind speed conditions in a 3D urban canopy. In the last part we use the radiative-dynamics coupling to simulate a real urban environment and validate the modeling approach with field measurements from the ‘Canopy and Aerosol Particle Interactions in Toulouse Urban Layer' (CAPITOUL) (10.70675/9b294492z1e94z42f2z867cz8b74d1b992b3)
DOI : 10.70675/9b294492z1e94z42f2z867cz8b74d1b992b3
Détermination de l'albédo des surfaces enneigées par télédétection : application à la reconstruction du bilan de masse du glacier de Saint Sorlin
- Dumont Marie
, 2010 . L'albédo, fraction de rayonnement réfléchi dans le spectre solaire, est une variable clef du bilan énergétique des surfaces enneigées et englacées. Cette grandeur possède une forte variabilité spatio-temporelle ce qui fait de la télédétection un outil adapté pour son étude. L'albédo dépend à la fois des propriétés physiques du milieu considéré et des caractéristiques du rayonnement incident. Les différentes grandeurs liées à l'albédo sont fonction des domaines angulaires et spectraux des radiations considérées. Les mesures de répartition angulaire du rayonnement réfléchi par la neige ont montré que l'hypothèse lambertienne pouvait conduire à des erreurs non négligeables lors de la détermination de l'albédo par télédétection. La connaissance des caractéristiques de la répartition angulaire du rayonnement réfléchi par la neige permet de développer une nouvelle méthode de détermination de l'albédo en zones montagneuses. Cette méthode prend en compte les effets liés à la forte variabilité topographique des terrains de montagne, à l'anisotropie du rayonnement réfléchi par la neige et par la glace ainsi que les variations spectrales de l'albédo en fonction des propriétés physiques de la surface. Elle a été appliquée à deux types de données : des photographies terrestres visibles et proche infrarouges (résolution spatiale 10 m) et des images MODIS (résolution spatiale 250 m). L'incertitude sur la valeur de l'albédo ainsi déterminée est évaluée à ±10% grâce aux mesures de terrain effectuées sur le glacier de Saint Sorlin (massif des Grandes Rousses, France). L'étude des cartes d'albédo issues de dix années (2000-2009) d'images MODIS montre qu'il n'y a pas de décroissance marquée de la valeur de l'albédo en zone d'ablation au contraire de ce qui a été prouvé pour le glacier du Morteratsch (Suisse). De plus, il existe une corrélation très élevée entre la valeur minimale de la moyenne de l'albédo sur le glacier, i.e. l'albédo moyen du glacier le jour où la ligne de neige est proche de la ligne d'équilibre, et la valeur du bilan de masse annuel spéciﬁque. L'assimilation des données d'albédo obtenues grâce aux images MODIS et aux photographies terrestres dans le modèle de neige CROCUS permet une bonne estimation du bilan de masse spatialisé du glacier de Saint Sorlin (rmse=0.5 m w.e. pour les cinq années hydrologiques étudiées). Les forçages météorologiques utilisés pour cette étude sont de moyenne échelle. L'analyse succincte de la contribution des différents ﬂux atmosphériques au bilan d'énergie de surface montre qu'en zone d'ablation comme en zone d'accumulation, le bilan radiatif net courtes longueurs d'ondes constitue la source principale d'énergie et que la variabilité de ce ﬂux explique la majeure partie de la variabilité journalière de la somme des ﬂux atmosphériques. Appliquées à d'autres glaciers, ces méthodes permettraient de savoir si les conclusions établies pour notre seul glacier d'étude sont valables pour d'autres glaciers. Elles rendraient également possibles la reconstruction du bilan de masse spatialisé sur 10 ans d'autres glaciers et potentiellement une meilleure quantification des processus physiques mis en jeu dans le bilan de masse de ces glaciers tempérés (10.70675/26c0b2b9zf75az4b72za411zda3fe083d0fb)
DOI : 10.70675/26c0b2b9zf75az4b72za411zda3fe083d0fb
Variabilité intrasaisonnière de la mousson africaine : caractérisation et modélisation
- Roehrig Romain
, 2010 . La variabilité intrasaisonnière de la mousson d'Afrique de l'Ouest se caractérise par une alternance de phases sèches et humides, dont les impacts pe uvent être dramatiques sur les populations locales. Cette variabilité met en jeu un grand nombre d'échelles spatiales et temporelles, rendant difficile sa compréhension, sa modélisation et sa prévision. Cette thèse propose quelques éclairages sur ces différentes thématiques. La dépression thermique saharienne est un acteur majeur de la mousson africaine. La caractérisation de sa variabilité intrasaisonnière a permis de mettre en évidence, à l'échelle de 15 jours, l'existence d'interactions entre les latitudes moyennes et l'Afrique de l'Ouest. Lors de son passage au-dessus de l'Atlantique et la Méditerranée, un train d'ondes de Rossby module les ventilations de la dépression thermique, et donc sa structure. Les anomalies de circulation, de température et d'humidité, ainsi induites sur le Sahel, pourraient alors expliquer une partie des fluctuations intrasaisonnières de la convection, notamment celles qui naissent sur l'est du Sahel, et qui se propagent ensuite vers l'ouest. L'état moyen et la variabilité intrasaisonnière de la mousson africaine restent un défi pour les modèles de climat, même pour la dernière génération, qui a participé à l'exercice d'intercomparaison CMIP3. La variabilité à haute fréquence de la convection est un élément particulièrement difficile à modéliser. Toutefois, la meilleure prise en compte de facteurs inhibant le développement de la convection pourrait être une étape importante pour améliorer la modélisation de la mousson et la prévision de ses fluctuations intrasaisonnières (10.70675/48942694zf34dz4fc0zb4acz7e65722f2789)
DOI : 10.70675/48942694zf34dz4fc0zb4acz7e65722f2789
Influence dynamique de l'Himalaya sur le climat en Extrême-Orient
- Mailler Sylvain
, 2010 . L'impact dynamique des montagnes sur la circulation de grande échelle de l'atmosphère passe généralement par des forces : pour cette raison, la partie de l'orographie qui n'est pas résolue par les modèles de circulation générale est prise en compte par la paramétrisations des forces qu'elle applique à l'atmosphère. Dans cette thèse , nous nous attacherons à comprendre l'impact des forces appliquées par les montagnes des moyennes latitudes, en particulier le Plateau tibétain, sur la circulation de l'atmosphère. Pour ce faire, nous utiliserons notamment le concept de couple appliqué par les montagnes sur l'atmosphère, traduction des forces à l'échelle globale. Les chaînes de montagnes les plus importantes des moyennes latitudes génèrent, à l'échelle synoptique, d'importantes vagues de froid appelées cold surges dans la littérature anglophone, un terme que nous traduirons littéralement par crues froides. L'importance du couple équatorial des montagnes dans l'initiation des crues froides sur l'Asie de l'Est (impact du Plateau tibétain), l'Amérique du Nord (impact des montagnes Rocheuses) et l'Amérique du sud (impact de la cordillère des Andes) est mise en évidence par une étude statistique. À l'aide d'un modèle dynamique simple, une interprétation du mécanisme sous-jacent à ce forçage est proposée, montrant que les forces de portance appliquées par la montagne à l'atmosphère dans la phase initiale des crues froides suffisent à leur déclenchement. L'impact dynamique du plateau tibétain sur la mousson d'hiver est-asiatique est important, en particulier sur les événements de convection en hiver sur la Mer de Chine Méridionale. Une séquence d'événements montrant cet impact a été identifiée statistiquement : un forçage dynamique de la circulation atmosphérique par le Plateau tibétain, se traduisant par un fort signal sur le couple des montagnes équatorial appliqué à l'atmosphère, est suivi par le déclenchement d'une crue froide puis, après quelques jours, par un renforcement de la convection profonde sur la Mer de Chine Méridionale. Cet effet dynamique du Plateau tibétain sur la mousson d'hiver s'étend au sud jusqu'à l'Indonésie et à l'ouest jusqu'à la Baie du Bengale. L'utilisation du modèle de circulation générale du Laboratoire de Métérorologie Dynamique, LMDz, permet de compléter les résultats observationnels décrits auparavant. Ce modèle ferme de manière satisfaisante le bilan de moment angulaire et permet de montrer que l'orographie sous-maille joue un rôle important sur la phase finale de l'évolution des crues froides. Des résultats nouveaux sont présentés sur le bilan de moment angulaire de l'atmosphère, en particulier en ce qui concerne l'impact du couple équatorial des montagnes et de la contribution du Plateau tibétain. Il est en particulier montré que le couple équatorial appliqué par le Plateau tibétain joue un rôle faible dans l'évolution temporelle du moment angulaire équatorial, mais un rôle significatif dans sa répartition spatiale (10.70675/efe01085z8de3z4fb3zb525z99be7ef343a0)
DOI : 10.70675/efe01085z8de3z4fb3zb525z99be7ef343a0
Construction optimale de réseaux fixes et mobiles pour la surveillance opérationnelle des rejets accidentels atmosphériques
- Abida Rachid
, 2010 . Mon travail de thèse se situe dans le contexte général de l'optimisation de réseaux de mesure de pollution atmosphérique, mais plus spécifiquement centré sur la surveillance des rejets accidentels de radionucléides dans l'air. Le problème d'optimisation de réseaux de mesure de la qualité de l'air a été abordé dans la littérature. En revanche, il n'a pas été traité dans le contexte de la surveillance des rejets accidentels atmosphériques. Au cours de cette thèse nous nous sommes intéressés dans un premier temps à l'optimisation du futur réseau de télésurveillance des aérosols radioactifs dans l'air, le réseau DESCARTES. Ce réseau sera mis en œuvre par l'Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (IRSN), afin de renforcer son dispositif de surveillance de radionucléides en France métropolitaine. Plus précisément, l'objectif assigné à ce réseau est de pouvoir mesurer des rejets atmosphériques de radionucléides, provenant de l'ensemble des installations nucléaires françaises ou étrangères. Notre principal rôle était donc de formuler des recommandations vis-à-vis aux besoins exprimés par l'IRSN, concernant la construction optimale du futur réseau. Á cette fin, l'approche que nous avons considérée pour optimiser le réseau (le futur réseau), vise à maximiser sa capacité à extrapoler les concentrations d'activité mesurées sur les stations du réseau sur tout le domaine d'intérêt. Cette capacité est évaluée quantitativement à travers une fonction de coût, qui mesure les écarts entre les champs de concentrations extrapolés et ceux de références. Ces derniers représentent des scénarios de dispersion accidentels provenant des 20 centrales nucléaires françaises et, calculés sur une année de météorologie. Nos résultats soulignent notamment l'importance du choix de la fonction coût dans la conception optimale du futur réseau de surveillance. Autrement dit, la configuration spatiale du réseau optimal s'avère extrêmement sensible à la forme de la fonction coût utilisée. La deuxième partie de mon travail s'intéresse essentiellement au problème du ciblage d'observations en cas d'un rejet accidentel de radionucléides, provenant d'une centrale nucléaire. En effet, en situation d'urgence, une prévision très précise en temps réel de la dispersion du panache radioactif est vivement exigée par les décideurs afin d'entreprendre des contre-mesures plus appropriées. Cependant, la précision de la prévision du panache est très dépendante de l'estimation du terme source de l'accident. À cet égard, les techniques d'assimilation de données et de modélisation inverse peuvent être appliquées. Toutefois, le nuage radioactif peut être localement très mince et pourrait s'échapper à une partie importante du réseau local, installé autour de la centrale nucléaire. Ainsi, un déploiement de stations de mesure mobiles en suivant l'évolution du nuage pourrait contribuer à améliorer l'estimation du terme source. À cet effet, nous avons exploré la possibilité d'améliorer la qualité de la prévision numérique du panache radioactif, en couplant une stratégie de déploiement optimal de stations mobiles avec un schéma d'assimilation de données pour la reconstruction séquentielle du panache radioactif. Nos résultats montrent que le gain d'information apporté par les observations ciblées est nettement mieux que l'information apportée par les observations fixes.
Modélisation du brouillard durant la campagne ParisFog : approche prédictive et étude de l'effet des hétérogénéités spatiales
- Zhang Xiaojing
, 2010 . Dans le domaine de la modélisation du brouillard ou des nuages bas, la compréhension précise des interactions complexes entre la turbulence, la microphysique, et le rayonnement reste un enjeu majeur pour améliorer la prévision numérique. Si l'amélioration de la modélisation du brouillard est un enjeu important pour la prévision dans le domaine du transport, elle l'est aussi dans le domaine industriel en raison de ses rejets atmosphériques (aéroréfrigérants industriels, brouillards pollués . . . ). La version 1D de Code_Saturne a été utilisée pour la simulation du brouillard sur les données de la campagne ParisFog réalisée sur le site du SIRTA pendant l'hiver 2006-2007. La simulation des cas observés a permis de montrer que le modèle était capable de reproduire correctement les principaux processus mis en jeu dans le brouillard depuis sa formation jusqu'à sa dissipation. Une étude de sensibilité aux différentes paramétrisations physiques choisies a montré que la dynamique du brouillard est particulièrement sensible à la fermeture turbulente, la teneur en eau à la sédimentation, et le spectre des gouttes au schéma de nucléation. La mise en oeuvre de Code_Saturne 1D sur une longue période en mode prédictif a montré la robustesse de nos choix et l'apport du couplage par nudging avec un modèle de méso-échelle à 36 heures d'échéance. La version 3D de Code_Saturne nous a permis d'étudier l'effet des hétérogénéités spatiales du site SIRTA sur la formation du brouillard. Dans un premier temps, les calculs ont été effectués sur le site considéré comme homogène horizontalement, sans la prise en compte des hétérogénéités. Il s'agissait ici de comparer la version 3D de Code_Saturne en mode RANS avec l'ensemble des paramétrisations physiques concernant le brouillard avec la version 1D. Ensuite, les effets de la prise en compte de la rugosité, des zones boisées et des bâtiments ont été étudiés.
Meteorology and air-quality in a mega-city: application to Tehran, Iran
- Malakooti Hossein
, 2010 . The influence of a mega-city on the atmospheric boundary layer and surface conditions was examined in the complex-terrain, semi-arid Tehran region using the Pennsylvania State University/National Center for Atmospheric Research fifth-generation Mesoscale Model (MM5) during a high pollution period. In addition, model sensitivity studies were conducted to evaluate the performance of the urban canopy and urban soil model "SM2-U (3D)" parameterization on the meteorological fields and ground level air pollutant concentrations in this area. The topographic flows and urban effects were found to play important roles in modulating the wind and temperature fields, and the urbanized areas exerted important local effects on the boundary layer meteorology. An emission inventory of air pollutants and an inventory of heat generation were developed and updated for 2005 in this work. Emissions from on-road motor vehicles constitute a major portion of the emission inventory and play the most important role in terms of contributions of air pollutants to the atmosphere in Tehran. By using a detailed methodology, we calculated spatial and temporal distributions of the anthropogenic heat flux (Qf) for Tehran during 2005. Wintertime Qf is larger than summertime Qf, which reflects the importance of heating emissions from buildings and traffic during cold and warm period respectively. Different urban parameterizations were used as a tool to investigate the modifications induced by the presence of an urban area in the area of interest. It was found that, for local meteorological simulations, the drag-force approach coupled with an urban soil model (DA-SM2-U) is preferable to the roughness approach (RA-SLAB). The comparisons indicated that the most important features of the wind, temperature and turbulent fields in urban areas are well reproduced by the DA-SM2-U configuration with the anthropogenic heat flux being taken into account (i.e., "DA-SM2-U Qf: On" option). This modeling option showed that the suburban part of the city is dominated by topographic flows whereas the center and south of Tehran are more affected by urban heat island (UHI) forcing especially during the night. The chemical transport modeling, including a model sensitivity study, was used to investigate the impact of the different urban parameterization on the dispersion and formation of pollutants over the Tehran region. Results show that applying DA approaches leads to significant improvements in the simulated spatial and temporal distribution of air pollutant concentrations in the city area and affects significantly the size of the urban plumes.
Changements d'échelles en modélisation de la qualité de l'air et estimation des incertitudes associées
- Bourdin-Korsakissok Irène Korsakissok
, 2009 . L’évolution des polluants dans l’atmosphère dépend de phénomènes variés, tels que les émissions, la météorologie, la turbulence ou les transformations physico-chimiques, qui ont des échelles caractéristiques spatiales et temporelles très diverses. Il est très difficile, par conséquent, de représenter l’ensemble de ces échelles dans un modèle de qualité de l’air. Les modèles eulériens de chimie-transport, couramment utilisés, ont une résolution bien supérieure à la taille des plus petites échelles. Cette thèse propose une revue des processus physiques mal représentés par les modèles de qualité de l’air, et de la variabilité sous-maille qui en résulte. Parmi les méthodes possibles permettant de mieux prendre en compte les différentes échelles , deux approches ont été développées : le couplage entre un modèle local et un modèle eulérien, ainsi qu’une approche statistique de réduction d’échelle. (1) Couplage de modèles : l’une des principales causes de la variabilité sous-maille réside dans les émissions, qu’il s’agisse des émissions ponctuelles ou du trafic routier. En particulier, la taille caractéristique d’un panache émis par une cheminée très inférieure à l’échelle spatiale bien résolue par les modèles eulériens. Une première approche étudiée dans la thèse est un traitement sous maille des émissions ponctuelles, en couplant un modèle gaussien à bouffées pour l’échelle locale à un modèle eulérien (couplage appelé panache sous-maille). L’impact de ce traitement est évalué sur des cas de traceurs à l’échelle continentale (ETEX-I et Tchernobyl) ainsi que sur un cas de photochimie à l’échelle de la région parisienne. Différents aspects sont étudiés, notamment l’incertitude due aux paramétrisations du modèle local, ainsi que l’influence de la résolution du maillage eulérien. (2) Réduction d’échelle statistique : une seconde approche est présentée, basée sur des méthodes statistiques de réduction d’échelle. Il s’agit de corriger l’erreur de représentativité du modèle aux stations de mesures. En effet, l’échelle de représentativité d’une station de mesure est souvent inférieure à l’échelle traitée par le modèle (échelle d’une maille), et les concentrations à la station sont donc mal représentées par le modèle. En pratique, il s’agit d’utiliser des relations statistiques entre les concentrations dans les mailles du modèle et les concentrations aux stations de mesure, afin d’améliorer les prévisions aux stations. L’utilisation d’un ensemble de modèles permet de prendre en compte l’incertitude inhérente aux paramétrisations des modèles. Avec cet ensemble, différentes techniques sont utilisées, de la régression simple à la décomposition en composantes principales, ainsi qu’une technique nouvelle appelée « composantes principales ajustées ». Les résultats sont présentés pour l’ozone à l’échelle européenne, et analysés notamment en fonction du type de station concerné (rural, urbain ou périurbain) (10.70675/ca0b2419zb9fdz4378z989fz5f4a3a357b28)
DOI : 10.70675/ca0b2419zb9fdz4378z989fz5f4a3a357b28
Application d'un code de CFD atmosphérique à l'estimation du productible éolien en terrain complexe
- Laporte Laurent
, 2008 . La thèse se décompose en deux parties. La première concerne l'utilisation du code de CFD atmosphérique Mercure Saturne pour estimer le potentiel éolien en terrain complexe. Une campagne de mesure a été menée par EDF pour disposer de données d'entrée et de validation. Une méthodologie a été développée utilisant des profils méso-échelle comme conditions limites du code CFD. Elle utilise la classification automatique pour réduire le nombre de simulations nécessaires au calcul du potentiel. La validation du code sur le cas connu de la colline d'Askervein, la méthodologie et les comparaisons avec les mesures sur le site complexe choisi sont présentées et discutées. La seconde partie concerne l'étude des sillages avec le code Mercure Saturne. Une méthode de représentation des efforts, exercés par les pales sur le vent, utilisant des termes sources a été implémentée. Ces derniers sont calculés par la méthode BEM. Deux comparaisons en soufflerie sont proposées pour la validation (10.70675/86b53dbazae20z45d0za04az10ef4afbdbc7)
DOI : 10.70675/86b53dbazae20z45d0za04az10ef4afbdbc7
Modélisation numérique et assimilation de données de la dispersion de radionucléides en champ proche et à l'échelle continentale
- Krysta Monika
, 2006 . La prévision des conséquences de rejets radioactifs dans l'atmosphère repose sur des modèles de dispersion qui fournissent des solutions analytiques (pX 0.1 développé par IRSN/ECL) ou numériques (Polair3D développé au CEREA) de l'équation d'advection-diffusion. Les modèles s'appuient d'une part sur des champs météorologiques possédant une résolution limitée et intègrent d'autre part des processus d'appauvrissement d'un nuage radioactif dont la description est imparfaite. Afin de contourner ces difficultés nous exploitons dans cette thèse les opportunités offertes par le couplage des modèles aux mesures, connu sous le nom d'assimilation de données. Dans un premier temps nous confrontons les modèles utilisés à des observations. Ces dernières sont fournies par des expériences effectuées avec des traceurs passifs ou collectées suite a des rejets de radionucléides. La dispersion sur une maquette de la centrale de Bugey dans une soufflerie en champ proche, l'expérience ETEX-I à l'échelle continentale et les rejets accidentels de Tchernobyl et Algésiras font l'objet d'études dans ce travail. Dans un deuxième temps, les modèles de dispersion sont associés aux mesures dans le but d'améliorer l'évaluation de conséquences de rejets radioactifs et d'inverser leur sources si la qualité du modèle le permet. En champ proche, l'approche variationnelle standard est utilisée. L'adjoint de pX 0.1 est construit à l'aide d'un différenciateur automatique. Les mesures collectées dans la soufflerie sont assimilées afin d'inverser le débit de la source. Dans le but d'obtenir un meilleur accord entre le modèle et les mesures, l'optimisation des paramètres gouvernant la distribution spatiale du panache est ensuite abordée. L'avantage de l'emploi de mesures est conditionné par leur contenu informatif. Ainsi, l'analyse a posteriori du réseau de mesures est effectuée et des possibilités de réduire sa taille en vue des applications opérationnelles sont exploitées. A l'échelle continentale, malgré la restriction aux mailles contenant des sites nucléaires, l'espace engendré par des sources est de dimension considérablement plus grande que l'espace d'observations. Par conséquent le problème inverse de reconstruction de la position et du profil temporel des sources est mal posé. Ce problème est régularisé en utilisant le principe du maximum d'entropie sur la moyenne. Des nouvelles fonctions coût prenant en compte le confinement spatio-temporel des sources accidentelles sont construites dans l'espace d'observations. Le lien entre la source recherchée et les mesures est décrit par l'adjoint de Polair3D. Les observations assimilées par la méthode sont constituées de mesures synthétiques, parfaites ou bruitées. Une série d'expériences se focalisant sur des sensibilités de la méthode est menée et leur qualité évaluée à l'aide d'un indicateur objectif. Un algorithme de réduction des sites suspectés pour des applications opérationnelles est testé. Finalement, les résultats de l'inversion du profil temporel de la source de l'accident d'Algésiras sont présentés.
Modélisation de la dispersion atmosphérique du mercure, du plomb et du cadmium à l'échelle européenne.
- Roustan Yelva
, 2005 . Le plomb, le mercure et le cadmium sont les métaux lourds identifiés comme les plus préoccupants dans le cadre de la pollution atmosphérique à longue distance. Comprendre et modéliser leur comportement permet la prise de décision efficace pour réduire leur impact sur l'homme et son environnement. Les deux premières parties de cette thèse portent sur la modélisation de ces polluants trace en vue de l'étude d'impact à l'échelle européenne. Le mercure en étant principalement présent sous forme gazeuse et susceptible d'interagir chimiquement se distingue des autres métaux lourds essentiellement portés par les particules fines et considérés comme inertes. La troisième partie de cette thèse présente un développement méthodologique basé sur l'utilisation d'une approche adjointe permettant de quantifier les sensibilités du modèle développé aux différents forçages utilisés mais également d'affiner ceux-ci par modélisation inverse.
Estimation de l'incertitude et prévision d'ensemble avec un modèle de chimie transport - Application à la simulation numérique de la qualité de l'air
- Mallet Vivien
, 2005 . La thèse s'attache à évaluer la qualité d'un modèle de chimie-transport, non pas par une comparaison classique aux observations, mais en estimant ses incertitudes a priori dues aux données d'entrées, à la formulation du modèle et aux approximations numériques. L'étude de ces trois sources d'incertitude est menée respectivement grâce à des simulations Monte Carlo, des simulations multi-modèles et des comparaisons entre schémas numériques. Une incertitude élevée est mise en évidence, pour les concentrations d'ozone. Pour dépasser les limitations dues à l'incertitude, une stratégie réside dans la prévision d'ensemble. En combinant plusieurs modèles (jusqu'à quarante-huit modèles) sur la bases des observations passées, les prévisions peuvent être significativement améliorées. Ce travail a aussi été l'occasion de développer un système de modélisation innovant, Polyphemus.
Représentation des nuages chauds dans le modèle météorologique « MERCURE » : Application aux panaches d'aéroréfrigérants et aux précipitations orographiques
- Bouzereau Emmanuel
, 2004 . Un schéma semi-spectral de microphysique chaude à 2 moments est mis en place dans le modèle météorologique « MERCURE ». Une nouvelle écriture du flux de flottabilité () est proposée ; elle est cohérente avec le corrigendum de Mellor (1977) mais diffère de Bougeault (1981). La microphysique nuageuse est validée par des simulations numériques d'une quinzaine de cas de panaches d'aéroréfrigérants qui sont comparées aux données provenant d'une campagne de mesures réalisées au Bugey en 1980. Des résultats satisfaisants sont obtenus sur la forme du panache, sur les champs de température et de vitesse verticale et sur les spectres de gouttelettes ; cependant les simulations ont tendance à surestimer le contenu en eau liquide. Le schéma microphysique est aussi testé sur les simulations de cas académiques de précipitations orographiques de Chaumerliac et al. (1987) et Richard et Chaumerliac (1989). Lors des simulations, nous retrouvons l'action de différents termes microphysiques.
Simulation numérique et assimilation de données variationnelle pour la dispersion atmosphérique de polluants
- Quélo Denis
, 2004 . Ce travail a permis de développer un modèle de chimie-transport tridimensionnel Polair3D pour simuler la pollution photochimique. Des comparaisons aux mesures d'ozone et d'oxydes d'azote sur la région de Lille pour l'année 1998 l'ont validé à l'échelle régionale. La méthode d'assimilation de données 4D-var a été implémentée. Elle est basée sur le modèle adjoint de Polair3D qui a été obtenu par différenciation automatique. Une application à la modélisation inverse des émissions sur Lille avec des observations réelles a montré que l'inversion de paramètres temporels d'émissions d'oxydes d'azote permet d'améliorer notablement les prévisions. La sensibilité de "second-ordre" permet d'étudier la sensibilité de l'inversion au système d'assimilation de données lui-même en calculant son conditionnement. Cette problématique est illustrée sur deux applications: la dispersion de radionucléides à petite échelle et la chimie atmosphérique, caractérisée par sa disparité d'échelles temporelles.
Méthodes de réduction et de propagation d'incertitudes : application à un modèle de chimie-transport pour la modélisation et la simulation des impacts
- Boutahar Jaouad
, 2004 . Dans une modélisation intégrée des impacts, l'objectif est de tester plusieurs scénarios d'entrées de modèle et/ ou d'identifier l'effet de l'incertitude des entrées sur les sorties de modèle. Dans les deux cas, un grand nombre de simulations de modèle sont nécessaires. Cela reste bien évidemment infaisable avec un modèle de Chimie-Transport à cause du temps CPU demandé. Pour surmonter cette difficulté, deux approches ont été étudiées dans cette thèse : La première consiste à construire un modèle réduit. Deux techniques ont été utilisées : la première est la méthode POD (Proper Orthogonal Decomposition) liée au comportement statistique du système. La seconde méthode est une méthode efficace de prétabulation fondée sur la troncature d'un développement multivariables de la relation Entrées/ sorties associé au modèle. La seconde est relative à la réduction du nombre de simulations demandé par la méthode Monte-Carlo classique de propagation d'incertitude. La technique utilisée ici est basée sur une représentation d'une sortie de modèle incertaine comme un développement de polynômes orthonormaux de variables d'entrées. Un autre point clé dans la modélisation intégrée d'impacts est de développer des stratégies de réduction des émissions en calculant des matrices de transfert sur plusieurs années de simulation. Une méthode efficace de calcul de ces matrices a été ainsi développée, notamment en définissant des scénarios "chimiquement" représentatifs. L'ensemble de ces méthodes a été appliqué au modèle POLAIR3D, modèle de Chimie-Transport développé dans le cadre de cette thèse.
The pressure drag and momentum flux during a cold frontal passage over the Alps
- Carissimo Bertrand
, 1987 . The strong pressure drag, the momentum flux and the air flow changes occurring during the interaction of a cold front with a meso-scale mountain are investigated using a combination of observations from the Alpine Experiment and theoretical models. The surface pressure observations are analysed every three hours to derive the pressure drag and reveal that peak values are reached when tight pressure gradients are located on steep orography. These values would be underestimated by conventional synoptic analyses or coarse resolution numerical models. The momentum flux above the topography is estimated from aircraft measurements taken during the strong drag events. Compared with the surface pressure drag, the observed momentum fluxes are small. They are in line however with the values computed in this situation by a "wave drag" parametrization. The accuracy of these fluxes is also discussed. In order to understand these observations, the dynamics of the interaction between a cold front and the mountain is further investigated. Additional observations show that the pressure fall and ri se accompanying the front in flat terrain is insufficient to fully account for the pressure drop across the mountain and for the drag magnitudes observed. A dynamical explanation for the large observed drag during frontal passage is therefore sought using a simple layer model. Although this model is somewhat deficient in simulating the prefrontal stage in the interaction, it is capable of reproducing the observed frontal retardation and the drag evolution. This model also shows that a substantial increase in the post-frontal drag can be created by the blocking of cold air if it is strong and remains localized on the upstream slope of the mountain. An additional series of numerical experiments with a continuously stratified model is performed to compare the air flow over the mountain with and without the presence of a front and the evolution of the front with and without the mountain. The vertical shear in the wind across the front, by its ability to create a secondary frontal circulation interacting with the mountain, is shown to be capable of producing an increase in the prefrontal drag.

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