Academic literature on the topic 'Turbulence atmosphérique'

Dans un contexte où le trafic aérien s'accroît chaque jour, l'optimisation des débits en termes de décollage et d'atterrissage est devenue un enjeu majeur pour les aéroports à forte affluence. Ces débits sont principalement limités par la présence de tourbillons de sillage communément appelés wake vortex. Ceux-ci sont formés après le passage d'un avion et représentent un danger potentiel pour l'avion suivant. Afin d'éviter les accidents, les organisations de sûreté de la navigation aérienne ont défini, il y a plus de quarante ans, des distances de sécurité à respecter entre décollages ou atterrissages successifs. Ces distances prennent en compte la catégorie de poids des deux appareils en considérant des situations pire-cas. De nombreuses études ont été menées pour permettre une meilleure compréhension de ces tourbillons et ont permis de constater que leur comportement varie en fonction des conditions atmosphériques, en particulier en fonction du vent et de la turbulence atmosphérique. Afin d’étudier la dynamique de la masse d’air et l’évolution de ces phénomènes, on utilise depuis une dizaine d’années le Lidar (light detection and ranging). Le Lidar pulsé est devenu l’instrument de référence pour la mesure à distance des tourbillons de sillage (positions et puissance).

Abstract. A case study of a low level jet during the OPALE (Oxidant Production over Antarctic Land and its Export) summer campaign is presented. It has been observed at Dome C (East Antarctica) and is simulated accurately by the three-dimensional version of the Modèle Atmosphérique Régional (MAR). It is found that this low level jet is not related to an episode of thermal wind, conforting that Dome C may be a~place where turbulence on flat terrain can be studied.

Abstract. A case study of a low-level jet (LLJ) during the OPALE (Oxidant Production over Antarctic Land and its Export) summer campaign is presented. It has been observed at Dome C (East Antarctica) and is simulated accurately by the three-dimensional version of the Modèle Atmosphérique Régional (MAR). It is found that this low-level jet is not related to an episode of thermal wind, suggesting that Dome C may be a place where turbulence on flat terrain can be studied.

Depuis près de 30 ans, l’optique adaptative (OA) se développe en astronomie pour corriger les effets de la turbulence atmosphérique et recouvrer la limite de diffraction des grands télescopes au sol. Récemment, les OAs grand champ avec étoiles laser s’appuyant sur la tomographie de l’atmosphère ont été démontrées dans plusieurs observatoires pour offrir une correction dans un champ de vue accru et une bonne couverture du ciel. Ces techniques sont aujourd’hui étendues pour satisfaire les besoins des extrêmement grands télescopes qui verront le jour au milieu des années 2020.

La première démonstration mondiale du potentiel de l’optique adaptative pour l’astronomie a été effectuée en 1989. Ces travaux ont démontré qu’il était possible de compenser les effets de la turbulence atmosphérique et d’atteindre la limite de diffraction des grands télescopes, au moins dans le proche infrarouge. Couplée éventuellement à l’utilisation d’étoiles artificielles créées par laser, cette technologie est devenue une composante incontournable de tous les grands télescopes optiques terrestres. Les observations ayant conduit au Prix Nobel de Physique 2020 ont reposé sur les premiers développements de l’imagerie des tavelures, puis rapidement sur ceux de l’optique adaptative et de son application à l’interférométrie multi-télescopes.

In recent years, we developed a small, unmanned aerial system (UAS) called OVLI-TA (Objet Volant Leger Instrumenté–Turbulence Atmosphérique) dedicated to atmospheric boundary layer research, in Toulouse (France). The device has a wingspan of 2.60 m and weighed 3.5 kg, including payload. It was essentially developed to investigate turbulence in a way complementary to other existing measurement systems, such as instrumented towers/masts. OVLI-TA’s instrumental package includes a 5-hole probe on the nose of the airplane to measure attack and sideslip angles, a Pitot probe to measure static pressure, a fast inertial measurement unit, a GPS receiver, as well as temperature and moisture sensors in specific housings. In addition, the Pixhawk autopilot is used for autonomous flights. OVLI-TA is capable of profiling wind speed, wind direction, temperature, and humidity up to 1 km altitude, in addition to measuring turbulence. After wind tunnel calibrations, flight tests were conducted in March 2016 in Lannemezan (France), where there is a 60-m tower equipped with turbulence sensors. In July 2016, OVLI-TA participated in the international project DACCIWA (Dynamics-Aerosol-Chemistry-Clouds Interactions in West Africa), in Benin. Comparisons of the OVLI-TA observations with both the 60 m tower measurements and the radiosonde profiles showed good agreement for the mean values of wind, temperature, humidity, and turbulence parameters. Moreover, it validated the capacity of the drone to sample wind fluctuations up to a frequency of around 10 Hz, which corresponds to a spatial resolution of the order of 1 m.

Améliorer la représentation de la couche limite stable constitue un des grands challenges de la prévision numérique du temps et du climat. Sa représentation est clé pour la prévision du brouillard, du gel des surfaces, des inversions de température, du jet de basse couche et des épisodes de pollution. De plus, à l'échelle climatique, la hausse de la température moyenne globale de l'air en surface impacte davantage les régions polaires : améliorer la représentation de la couche limite stable est un enjeu important pour réduire les incertitudes autour des projections climatiques. Depuis une quinzaine d'années, les exercices d'intercomparaison de modèles GABLS ont montré que le mélange turbulent dans la couche limite stable est généralement surestimé par les modèles de prévision du temps. En effet, de nombreux modèles intensifient artificiellement l'activité de leur schéma de turbulence afin d'éviter une décroissance inévitable du mélange lorsque la stabilité dépasse un seuil critique en terme de nombre de Richardson gradient. Ce problème numérique et théorique n'est pas en accord avec de nombreuses observations et simulations à haute résolution qui montrent une activité turbulente séparée en deux régimes : un régime faiblement stable dans lequel l'atmosphère est turbulente de manière continue et intense, et un régime très stable dans lequel la turbulence est très intermittente, anisotrope et faible en intensité. Ces travaux de thèse s'articulent autour de deux parties dont l'objectif principal est d'améliorer la paramétrisation de la turbulence dans le modèle atmosphérique de recherche Méso-NH développé conjointement par Météo-France et le Laboratoire d'Aérologie, et dans le modèle opérationnel AROME. Cette étude utilise une méthodologie communément employée dans le développement de paramétrisations qui consiste à comparer des simulations à très haute résolution qui résolvent les structures turbulentes les plus énergétiques (LES) à des simulations uni-colonnes d'un modèle méso-échelle. Plusieurs simulations 3D couvrant différents régimes de stabilité de l'atmosphère sont réalisées avec Méso-NH. Les limites du modèle LES en stratification stable sont documentées. Une première partie répond à la problématique de la surestimation du mélange dans le régime faiblement stable. Une expression originale pour la longueur de mélange est formulée. La longueur de mélange est un paramètre clé pour les schémas de turbulence associés à une équation pronostique pour l'énergie cinétique turbulente. Cette longueur de mélange non-locale combine un terme de cisaillement vertical du vent horizontal à une formulation existante qui repose sur la flottabilité. Le nouveau schéma est évalué dans des simulations 1D par rapport aux LES d'une part ; et dans le modèle opérationnel AROME par rapport aux observations de l'ensemble du réseau opérationnel de Météo-France d'autre part. Une deuxième partie apporte des éléments d'évaluation d'un schéma combinant deux équations pronostiques pour les énergies cinétiques et potentielles turbulentes. En condition stable, le flux de chaleur négatif contribue à la production d'énergie potentielle turbulente. L'interaction entre les deux équations d'évolution permet, via une meilleure prise en compte de l'anisotropie et d'un terme à contre gradient dans le flux de chaleur, de limiter la destruction de l'énergie turbulente dans les modèles. Dans les cas simulés, cette nouvelle formulation ne montre pas un meilleur comportement par rapport à un schéma à une équation pour l'énergie cinétique turbulente car le mécanisme d'auto-préservation n'est pas dominant par rapport au terme de dissipation. Il conviendra d'améliorer la paramétrisation du terme de dissipation dans le régime très stable
The modeling of the stable atmospheric boundary layer is one of the current challenge faced by weather and climate models. The stable boundary layer is a key for the prediction of fog, surface frost, temperature inversion, low-level jet and pollution peaks. Furthermore, polar regions, where stable boundary layer predominates, are one of the region with the largest temperature rise : the stable boundary layer modeling is crucial for the reduction of the spread of climate predictions. Since more than 15 years, the GABLS models intercomparison exercices have shown that turbulent mixing in the stable boundary layer is overestimated by numerical weather prediction models. Numerous models artificially strengthen the activity of their turbulence scheme to avoid a laminarization of the flow at a critical value of the gradient Richardson number. The existence of this threshold is only a theoretical and a numerical issues. Numerous observations and high-resolution numerical simulations do not support this concept and show two different regimes : the weakly stable boundary layer that is continuously and strongly turbulent; and the very stable boundary layer globally intermittent with a highly anisotropic and very weak turbulence. This thesis aims at improving the turbulence scheme within the atmospheric research model Méso-NH developped by Météo-France and the Laboratoire d'Aérologie, and the operational weather forecast model AROME. We use a traditional methodology based on the comparison of high-resolution simulations that dynamically resolve the most energetic turbulent eddies (Large-Eddy Simulations) to single-column simulations. Several LES covering the weakly and the very stable boundary layer were performed with Méso-NH. The limits of applicability of LES in stratified conditions are documented. The first part of the study deals with the overmixing in the weakly stable boundary layer. We propose a new diagnostic formulation for the mixing length which is a key parameter for turbulence schemes based on a prognostic equation for the turbulent kinetic energy. The new formulation adds a local vertical wind shear term to a non-local buoyancy-based mixing length currently used in Méso-NH and in the French operational model AROME. The new scheme is evaluated first in single-column simulations with Méso-NH and compared to LES, and then in the AROME model with respect to observations collected from the operational network of Météo-France. The second part presents a theoretical and numerical evaluation of a turbulence scheme based on two prognostic equations for the turbulent kinetic and potentiel energies. In stratified conditions, the heat flux contributes to the production of turbulent potential energy. The laminarization of the flow is then limited by a reduction of the destruction of the turbulent kinetic energy by a better representation of the anisotropy and a counter-gradient term in the heat flux. On the simulated cases, this new formulation behaves similarly than the scheme with one equation for the turbulent kinetic energy because the self-preservation mechanism is not dominant compared to the dissipation term. Further research should improve the turbulent kinetic energy dissipation closure in the very stable regime

Nous avons aborde l'etude des perturbations atmospheriques d'echelle synoptique en afrique de l'ouest et sur l'atlantique tropical. L'objectif est principalement de mieux cerner les caracteristiques de ces ondes et de contribuer a la comprehension des liens entre ces perturbations synoptiques et les precipitations. L'interet que ces perturbations ont suscite au debut des annees soixante dix, vient de la constatation qu'un certain nombre de cyclones tropicaux qui traversent les caraibes et parviennent ensuite sur la cote sud-est de l'amerique du nord pourraient etre lies a ces ondes d'est africaines. Par ailleurs, les recherches motivees par la recente periode prolongee de secheresse dans les regions soudano-saheliennes (depuis 1968), avec des consequences catastrophiques sur les ressources alimentaires et sur l'economie des etats concernes, ont permis de montrer que les precipitations sur ces regions sont, en partie liees a ces ondes d'est. Comprendre les proprietes, les caracteristiques, la variabilite de ces perturbations synoptiques ainsi que leur impact a l'echelle regionale est donc primordial. Nous nous interessons a deux types d'ondes synoptiques mis en evidence a partir d'analyses spectrales sur differentes variables de l'atmosphere en afrique de l'ouest et sur l'atlantique tropical : les ondes de periodes 3-5 jours et les ondes de periodes 6-9 jours. Nous avons profite de la volonte des centres de recherches meteorologiques americains et europeens de mettre en place une banque de donnees reanalysees, offrant pour la premiere fois l'opportunite d'etablir une climatologie des ondes d'est et d'etudier leur variabilite interannuelle a partir d'un jeu de donnees homogenes. Nous utilisons principalement les reanalyses americaines du ncep/ncar sur la periode 1979-1995 et a titre de comparaison ou de validation, celles, europeennes, du cepmmt entre 1979 et 1993. Pour l'etude des interactions avec la convection, l'orstom a mis en notre disposition sa base de donnees pluviometrique de 1979 a 1990 sur l'afrique de l'ouest. L'approche a partir d'analyses spectrales, de la transformee en ondelettes, de la classification automatique et de l'analyse en composantes complexes locales, sur 17 ans, a permis de distinguer deux regimes statistiques et meteorologiques d'ondes d'est, differents a l'echelle synoptique : un regime d'onde entre 3 et 5 jours et un autre, plus intermittent, entre 6 et 9 jours, en liaison avec les circulations anticycloniques des acores et de libye. Ces deux regimes d'ondes modulent differemment et significativement les precipitations, le flux de mousson et la convection en afrique de l'ouest. En regime 3-5 jours, les anomalies de precipitations sont uniformes sur toute l'afrique de l'ouest alors qu'en regime 6-9 jours ces anomalies ont une structure dipolaire avec, par exemple, un deficit pluviometrique au sahel et un excedent au sud. De meme, le maximum de convection se localise a des zones bien particulieres de ces perturbations. Ce travail a montre que l'occurrence et l'activite des systemes precipitants a l'echelle regionale pouvait appartenir a une perturbation de grande echelle en relation avec la variabilite climatique.

Le travail présenté dans cette thèse traîte de la dispersion de scalaires passifs par vents faibles à modérés. Il a pour objet d’évaluer l’apport des modèles de dispersion semi-analytiques apparus récemment (Moreira et al. , 2005a), pour la caractérisation de la dispersion atmosphérique. Deux approches sont considérées dans ce travail : a) la comparaison de ces modèles semi analytiques à d’autres modèles analytiques dédiés à la caractérisation de la dispersion par vents faibles à modérés, b) le couplage de ces modèles avec des profils de dispersion latérale dans le but de reconstruire des maximums de concentration des panaches. Lors de la comparaison, le modèle semi analytique dérivé de la GILTT (Generalized Integral Laplace Transform Technique) muni des paramétrisations de la diffusivité turbulente et du profil de vent, est confronté à deux modèles analytiques : le modèle gaussien et le modèle de faibles vents de l’IIT (Indian Institute of Technology) de Delhi. Au cours de cette évaluation, il apparaît que l’efficacité des modèles semi-analytiques est comparable à celles des modèles développés à l’IIT destinés à la caractérisation de la dispersion par faibles vents. La justification du couplage du modèle semianalytique avec des schémas de dispersion latérale repose, en partie, sur ses qualités intrinsèques, notamment le fait qu’une solution exacte de l’équation intégrée de transport-diffusion est obtenue par les méthodes dérivées de la GILTT, contrairement aux démarches conduisant à l’élaboration de modèles analytiques. Cette démarche est nouvelle et ouvre de nouvelles perspectives à l’utilisation de ce type de modèle. Plusieurs tests de couplages ont été conduits pour des expériences de dispersion atmosphérique par faibles vents provenant des bases de données du " Model Validation Tools Kits " et de l’EPA
This work presents the thesis that dedicates to the problem of the dispersion of the pollutants in low and moderate winds. The aim is to evaluate the contribution of the semi-analytical models that appears recently (Moreira et al. , 2005a) for the characterization of atmospheric dispersion. Two approaches described in this work relates to the following : a) the comparison of the analytical semi models to other analytical models dedicate to the characterization of dispersion in low and moderate winds. B) the combining semi-analytical models with their profiles of crosswind dispersion in order to rebuild the plumes maximal concentration. During the comparison the semi analytical model derives from the GILTT (Generalized Integral Laplace Transform Technical) with parameterizations of the vertical turbulent diffusivity and the wind profile is confronted to two analytical models : the Gaussian model and the model of low winds of IIT (Indian Institute of Technology) of Delhi. During this evaluation it appears that the effectiveness of the semi-analytical models is comparable to the developed models of IIT intended for the characterization of dispersion in low winds conditions. This procedure is new and opened for new perspectives of the usage of this model type. Several tests of this new approach have been done in low winds conditions using the data bases of "Model Validation Tools Kits" and of EPA. It appears that this combining is an alternative of the characterization of atmospheric dispersion in low and moderate winds conditions

Une analyse de la structure de la couche limite atmospherique au-dessus de l'ocean a ete realisee a partir des mesures aeroportees effectuees pendant l'experience sofia, dans la region des acores, en 1992. Les conditions generales de l'experience etaient caracterisees par des situations meteorologiques anticycloniques, avec des vents faibles, des flux de surface faibles, donc une instabilite tres moderee. La couche limite etait surmontee de stratocumulus non homogenes, constituant une couche nuageuse non couplee avec la couche de melange dirigee par les flux de surface. L'etude des principaux moments turbulents montre que, malgre une flottabilite a la surface faible, la couche de melange se comporte comme une couche limite continentale convective, mais sans entrainement important au sommet. Une technique d'echantillonnage conditionnel, appliquee aux signaux turbulents, a permis de caracteriser les differentes particules qui composent le champ turbulent dans la couche limite. Ces particules ont ete decrites par la surface qu'elles occupent et par les quantites qu'elles transferent. L'analyse spectrale des signaux a permis d'analyser les differentes echelles de mouvement, et de quantifier leur importance respective dans les transferts turbulents. Enfin, les donnees obtenues sur une situation particuliere de l'experience ont pu etre comparees aux sorties d'un modele de type large eddy simulation

Les heterogeneites de l'indice de l'air creees par la turbulence atmospherique deforment les fronts d'onde provenant des etoiles lors de leurs passages a travers l'atmosphere. Le probleme du manque de sources lumineuses qui permettraient l'analyse des fronts d'onde peut etre resolu en creant des etoiles artificielles au moyen de lasers focalises dans la haute atmosphere. La qualite des mesures des fronts d'onde depend essentiellement de 2 parametres: le parametre de fried et le domaine isoplanetique. Lers possibilites d'utilisation des couches atmospheriques situees vers 15 km ou des atomes de sodium situes a 90 km pour la mesure des fronts d'onde sont etudiees. Un systeme d'asservissement statique a optique adaptative est decrit, ce systeme permettant la correction des deformations de fronts d'onde lentement variables

Depuis quelques années déjà, les films de savon représentent un cadre idéal pour étudier les écoulements 2D et également la turbulence bidimensionnelle ( Couder). Il s'agit ici d'étudier la convection thermique dans une demi-bulle de savon. Le gradient thermique entre l'équateur et le pôle engendre une turbulence autour de l'équateur et donne naissance à des structures tourbillonnaires uniques de grandes tailles proches du pôle. Je mettrais en évidence une dynamique identique entre les tourbillons formés à la surface de la demi-bulle et les systèmes que l'on observe dans la nature ( les ouragans), à savoir un comportement super-diffusif. Une étude de la turbulence engendrée par la convection thermique a également été réalisée. La température présente une transition étonnante d'un comportement intermittent pour les gradients de température faible, à un comportement non intermittent lorsque l'on accroît le gradient de température. Cette dynamique est corrélée avec celle du champ de vitesse qui montre également cette transition.

La compréhension de la structure de la turbulence dans la couche de surface de l'atmosphère est cruciale pour l'amélioration de la prédiction du temps. Dans ce travail de thèse, nous nous appuyons sur des mesures de turbulence collectées par les anémomètres soniques de l'observatoire du SIRTA et sur des simulations numériques ("large eddy simulations") en 3-D à l'aide du modèle ARPS prenant en compte les interactions végétation/atmosphère, pour étudier la structure de la turbulence atmosphérique pour différents types de surface (champ, forêt, bâtiments). La turbulence est abordée de manière statistique, avec le calcul des variables moyennes telles que les flux turbulents, de quantité de mouvement et de chaleur, ou encore l'énergie cinétique turbulente, et de manière déterministe. Dans ce second cas, nous utilisons une méthode de détection des structures cohérentes, basée sur une transformée en ondelettes, afin de déterminer leurs propriétés telles que leur fréquence d'occurrence ou encore leur contribution relative aux flux turbulents. Les résultats de ce travail de thèse montrent principalement que malgré l'impact important de la complexité du terrain sur les variables moyennes de la turbulence que sont les flux ou l'énergie cinétique turbulente, des propriétés majeures des structures cohérentes (fréquence d'occurrence, durée et temps de séparation, contribution aux flux...) apparaissent indépendantes de la nature du terrain. Ce résultat est dû au fait que les structures cohérentes détectées à partir des séries temporelles de la température ou de la vitesse verticale sont représentatives de la turbulence active qui s'ajuste rapidement aux conditions locales de la surface.

La turbulence atmosphérique perturbe l'observation à haute résolution. C'est un phénomène étudié depuis longtemps, en astronomie notamment. La présente étude porte sur le cas de l'observation d'un objet situé à environ vingt kilomètres, la propagation étant horizontale et près du sol, en infrarouge. Apres un rappel des effets de la turbulence en imagerie haute résolution, nous exposons la méthode de simulation qui nous permet de générer des images longue pose et des séquences d'images courte pose dégradées. L'évolution temporelle de la turbulence et les effets d'anisoplanétisme ont été pris en compte. Les images longue pose sont restaurées avec des algorithmes classiques de déconvolution. Les résultats ne sont satisfaisants que pour une faible perturbation. Il est plus avantageux d'exploiter des images courte pose, car elles contiennent plus de hautes fréquences spatiales ; mais l'objet observé y fluctue aléatoirement. On travaille donc ici à partir d'une séquence de plusieurs dizaines d'images. Deux approches sont proposées. L'une consiste à analyser statistiquement les régions de chaque image pour en extraire les plus représentatives et reconstituer ainsi l'objet réel. Les résultats sont alors nettement meilleurs. La seconde est une approche frontière. Une analyse du problème, basée sur la méthode du maximum de vraisemblance appliquée aux descripteurs de Fourier de la forme, permet d'établir que le contour le plus probable est obtenu par la moyenne de la position de chaque point de contour au long de la séquence. Nous déterminons ce contour soit grâce à un appariement multirésolution des contours point à point, d'une image sur l'autre, soit en appliquant un snake région, optimal au sens de la théorie statistique, que nous faisons évoluer avec l'objet au cours de la séquence ; dans ce dernier cas, l'appariement est automatiquement réalisé puisque l'on connait la position des noeuds du snake.

Un scintillement de chaleur se produit en raison d’un indice de réfraction de l'air qui diminue avec une augmentation de la température de l'air. Ainsi, Les objets apparaissent flous avec une légère oscillation quasi-périodique. Cela pose des limitations dans le traitement des images prises sur de longues distances qui impliquent une perte de détails dans les séquences vidéo. Trois algorithmes pour la restauration de séquences d'images dégradées par la turbulence atmosphérique sont élaborés et présentés. Une analyse comparative de ces algorithmes est effectuée. Les méthodes sont capables d'extraire une seule image géométriquement améliorée ou de filtrer une séquence complète avec turbulence. L’image extraite est généralement de meilleure qualité que celle extraite lors de l'utilisation des algorithmes GFATR simple (Generalized First Average Then Register) ou FRTAAS (First Register Then Average And Subtract). Elles préservent également mieux les bords et les lignes pour obtenir une géométrie améliorée
Heat scintillation occurs due to the index of refraction of air decreasing with an increase in air temperature, causing objects to appear blurred and waver slowly in a quasi-periodic fashion. This imposes limitations on sensors used to record images over long distances resulting in a loss of detail in the video sequences. Three algorithms for the restoration of image sequences degraded by atmospheric turbulence are developed and presented. A comparative analysis of these algorithms is performed. The methods are capable of extracting a single geometrically improved frame or filtering an entire turbulent sequence. The extracted frame is generally sharper than that when utilising simple GFATR (Generalized First Average Then Register) or FRTAAS (First Register Then Average And Subtract). It also better preserves edges and lines as well as being geometrically improved