6. Analyses de sensibilité du modèle 129 comparer en valeur absolue le cœfficient utilisé pour diffuser les particules de neige dans Meso- NH/Crocus avec les formulations utilisées par d’autres modèles de transport (Mann, 1998; Déry et Yau, 1999). La formulation de Mann (1998) est également utilisée dans le modèle de Lehning et al. (2008) qui est appliqué en relief alpin. La figure 6.7 montre que la valeur ζ = 4 donne des valeurs inférieures deKSnw par rapport aux formulations de Mann (1998) et Déry et Yau (1999).
Dans les 10 premiers mètres de l’atmosphère, la valeur de KSnw retenue dans cette étude vaut en moyenne 63 % de la valeur obtenue par la formulation de Déry et Yau (1999), soit une valeur de Sc=1.59. Cette valeur supérieure à 1 va dans le sens d’une prise en compte des effets d’inertie sur la diffusion turbulente des particules de neige (e.g. Csanady, 1963; Wang et Stock, 1993).
La réduction de la diffusion turbulente des particules de neige proposée dans cette section permet de reproduire de manière satisfaisante les profils verticaux de concentration et de flux observés au Col du Lac Blanc. La valeur ζ=4 sera utilisée dans la suite de ce travail pour les simulations 3D conduites autour du Col du Lac Blanc. Cependant, cet ajustement doit être consi- déré comme une correction du premier ordre et une investigation plus détaillée de la physique du phénomène sera nécessaire dans le futur. Les effets de destruction de l’énergie cinétique tur- bulente en présence de particules (Bintanja, 2000a) n’ont par exemple pas été pris en compte dans le modèle. Par ailleurs, le modèle suppose que les particules ont une forme sphérique alors que l’analyse des profils de concentration au Col du Lac Blanc (Sect. 4.4.5) suggère que la forme des particules transportée influe fortement sur le profil vertical de concentration. Enfin, dans le schéma à deux moments,αest pris constant alors que les observations montrent que ce paramètre augmente sur la verticale (e.g. Schmidt, 1982). La prise en compte de cette augmentation dans le modèle PIEKTUK via un schéma à trois moments (Yang et Yau, 2008) a permis de s’affranchir des ajustement sur les vitesses de chute (Déry et Yau, 1999; Déry et Yau, 2001).
130 6.4. Conclusion du chapitre compte.
La comparaison des profils verticaux de concentration et de flux simulés par Meso-NH et observés au Col du Lac Blanc montre qu’il est nécessaire de réduire le coefficient de diffusion turbulente des particules de neige. Une diminution de 75% par rapport à la valeur du coefficient de diffusion turbulente des scalaires passifs utilisé dans Meso-NH donne des résultats satisfaisants.
Ces résultats ont été obtenus pour deux épisodes de transport purs couvrant une gamme de vitesse de vent allant de 11 à 18 m s−1. Dans la suite de ce travail, cette réduction du coefficient de diffusion turbulente des particules de neige sera toujours appliquée. Cette comparaison illustre également l’apport de Canopy pour simuler les profils de vent et de concentration près de la surface.
Ces études ont été réalisées en configuration 1D. Les effets d’advection et d’accroissement horizontal du transport n’ont pas été considérés tout comme l’influence de la topographie locale sur l’intensité de la turbulence. Cependant, cette configuration a permis de réaliser dans un cadre idéalisé et contrôlé une étude fine de la sensibilité du modèle reposant sur un grand nombre de simulations. L’évaluation complète du modèle en configuration 3D est présentée aux chapitres suivant grâce à la simulation d’épisodes de transport observés au Col du Lac Blanc au cours de l’hiver 2010/2011.
Quatrième partie
Simulations d’épisodes de transport
131
Chapitre 7
Domaines de simulations et méthodes d’initialisation
Le modèle couplé Meso-NH/Crocus a été doté d’un module lui permettant de simuler le transport de la neige par le vent (Chap. 5). Afin d’évaluer les capacités de ce modèle en relief complexe, plusieurs épisodes de transport observés lors de la campagne 2011 ont été simulés.
Une configuration à haute résolution du modèle a donc été mise en place autour du Col du Lac Blanc. Les simulations, de durée égale aux épisodes observés, ont nécessité de fournir des conditions initiales pour l’atmosphère et le manteau neigeux. Des conditions de forçage aux bords du domaine ont également été requises pour le modèle atmosphérique.
Ce chapitre présente les méthodes d’initialisation et de couplage utilisées lors de cette thèse pour réaliser des simulations à haute résolution autour du site du Col du Lac Blanc. Il détaille tout d’abord le volet atmosphérique du processus d’initialisation et décrit la méthode de descente d’échelle utilisée. Il aborde ensuite l’initialisation du manteau neigeux à l’échelle d’un massif montagneux et propose enfin une brève évaluation de cette méthode d’initialisation.
7.1 Initialisation et forçage de l’atmosphère
7.1.1 Choix d’une résolution horizontale
Les enjeux de la modélisation distribuée du transport de la neige par le vent en zone de montagne ont été discutés à la section 1.4.2. Le premier d’entre eux consiste à obtenir une modé- lisation à échelle fine des conditions atmosphériques près de la surface et notamment du champ de vent, fortement influencé par les interactions avec la topographie. Afin de reproduire ces in- teractions, une résolution horizontale de 50 m a été retenue pour simuler la redistribution de la neige par le vent autour du Col du Lac Blanc avec le modèle Meso-NH/Crocus. Cette résolution rend envisageable la simulation interactive d’épisodes de transport dont la durée moyenne est de 19.5 h en situation de transport sans chute de neige et de 14.5 h en situation de transport avec chute de neige (Chap. 3).
133
134 7.1. Initialisation et forçage de l’atmosphère Mott et Lehning (2010) ont montré qu’une augmentation de la résolution horizontale de 50 à 5 m améliore la représentation du champ de vent et des mécanismes de redistribution de la neige en résultant (pour plus de détails sur les résolutions horizontales adaptées à la simulation de transport de la neige, cf 1.4.2). Amory (2012) a utilisé récemment Meso-NH à de telles résolutions (4 m) à proximité immédiate du Col du Lac Blanc mais la durée des simulations effectuées n’a pas excédé une heure soit une durée insuffisante pour simuler un épisode de transport dans son intégralité. La résolution horizontale de 50 m offre donc un compromis entre la finesse du forçage météorologique et la capacité à simuler des épisodes de transport dans leur intégralité. Cette résolution est similaire à celle de 45 m utilisée par Durand et al. (2004, 2005) au Col du Lac Blanc.
7.1.2 Descente d’échelle sur le Col du Lac Blanc
Les méthodes de descente d’échelle reposant sur une suite de modèles emboîtés permettent de simuler l’écoulement de l’air à haute résolution en tenant compte des forçages imposés par les échelles plus larges. Ces méthodes ont déjà été appliquées avec succès en zone de relief com- plexe (Chow et al., 2006; Weigel et al., 2006; Michioka et Chow, 2008). De telles simulations pouvant être réalisées avec le modèle Meso-NH (Stein et al., 2000), une configuration de modèles emboîtés a été mise en place pour simuler l’écoulement de l’air autour du Col du Lac Blanc.
La méthode de descente d’échelle permet de passer des analyses du modèle météorologique AROME à une résolution horizontale de 2.5 km jusqu’à un domaine entourant le Col du Lac Blanc à une résolution horizontale de 50 m. Le modèle AROME (Seity et al., 2011) est le modèle opérationnel utilisé par Météo France pour produire les prévisions du temps sur la France. Son domaine de calcul couvre l’ensemble du territoire français à une résolution horizontale de 2.5 km.
Les analyses du modèle sont disponibles toutes les trois heures depuis 2008 et couvrent donc les deux campagnes de mesure des hivers 2011 et 2012. Ces analyses ont été utilisées pour initialiser et forcer une descente d’échelle utilisant trois domaines de simulation Meso-NH imbriqués.
Les trois domaines Meso-NH imbriqués permettent de passer de l’échelle du massif monta- gneux à l’échelle locale autour du Col du Lac Blanc (Fig. 7.1). Leur résolution horizontale va de 450 m à 50 m (Tab. 7.1). La topographie du modèle à 450 m a été construite à partir du Mo- dèle Numérique de Terrain (MNT) france250 de l’Institut Géographique National (IGN) à une résolution horizontale de 250 m. Pour les modèles à 150 m et 50 m, un MNT à une résolution horizontale de 45 m a été utilisé. Les propriétés du sol et de la surface (fraction en argile, sable, type de végétation) proviennent de la base de données physiographiques globale ECOCLIMAP à une résolution horizontale de 1 km (Masson et al., 2003) et des bases de texture du sol de la FAO (Food and Agriculture Organization) à 10 km de résolution horizontale.
7.1.3 Initialisation par un radio-sondage
La descente d’échelle complète présentée au paragraphe précédent permet de tenir compte de effets de la méso-échelle (quelques kilomètres) sur l’échelle locale (quelques dizaines de mètres).
7. Domaines de simulations et méthodes d’initialisation 135
Analyse AROME (2.5 km) Disponible à 00, 03, 06, ..., 24 UTC
Domaine 1 (40*40 km; 450 m) Domaine Grandes Rousses (12.3*16.5 km; 150 m)
Domaine Col du Lac Blanc (3*3 km; 50 m) Interpolation horizontale
et verticale
3300 3100 2900 2700 2500 2300 2100 1900 1700 1500 1300 1100 900 3600
3400 3200 3000 2800 2600 2400 2200 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400
3300 3200 3100 3000 2900 2800 2700 2600 2500 2400 2300 2200 2100 2000
CLB CLB CLB
Figure 7.1 – Principe de fonctionnement de la descente d’échelle sur la site expérimental du Col du Lac Blanc. Le cadre en pointillé désigne les domaines sur lesquels les simulations de transport de neige par le vent seront effectuées.
Table 7.1– Configuration des modèles emboîtés
Domaine Grille (nx, ny, nz) Dimensions (km) ∆x, ∆y (m)
1 90×90×70 40×40 450
2 (Grandes Rousses) 80×108×70 12×16.2 150
3 (Col du Lac Blanc) 60×60×70 3×3 50
Cependant son utilisation est coûteuse en terme de temps de calcul car elle nécessite de réaliser l’intégration du modèle sur trois domaines différents. Par ailleurs, Meso-NH ne disposant pas de système d’assimilation de données, il n’est pas possible de rappeler le modèle vers des observations.
La qualité de l’analyse météorologique forçant la descente d’échelle est donc cruciale. Une solution alternative offerte par Meso-NH est d’utiliser un radio-sondage afin d’initialiser la simulation et de construire des conditions aux limites.
Le radio-sondage consiste en un profil vertical de vitesse et de direction de vent, de tempé- rature potentielle et d’humidité spécifique. Les routines d’initialisation de Meso-NH interpolent
136 7.2. Initialisation du manteau neigeux et du sol sous-jacent