Mieux comprendre les phénomènes atmosphériques

Turbulence

La partie basse de l'atmosphère joue un rôle crucial en météorologie en influençant la plupart des phénomènes météorologiques. Or, cette couche d'air en contact avec le sol est animée de mouvements tourbillonnaires complexes dont les modèles de prévision du temps tiennent compte de manière encore partielle. Les chercheurs de Météo-France poursuivent plusieurs pistes complémentaires pour améliorer leur représentation dans les modèles.

La turbulence en quelques mots

La zone de l'atmosphère où les mouvements de l'air sont directement influencés par les caractéristiques de la surface terrestre est appelée couche limite atmosphérique. Son épaisseur varie de quelques centaines de mètres à plusieurs kilomètres en fonction du moment de la journée et de la nature de la surface.

La présence d'obstacles ou la chaleur dégagée par le sol et la mer créent des tourbillons et autres mouvements chaotiques que l'on appelle turbulence. Ces tourbillons ont des tailles caractéristiques allant de quelques millimètres à plus d'un kilomètre.

Pourquoi étudier la turbulence?

La turbulence joue un rôle important dans le développement de certains phénomènes météorologiques de couche limite, comme le brouillard, les rafales de vent ou le verglas.

De plus, elle accélère les transferts d'énergie, de chaleur ou encore d'humidité entre la surface et l'atmosphère « libre », située au-dessus de la couche limite. Elle influence ainsi l'apparition et l'évolution de phénomènes de plus haute altitude, comme les orages ou les tempêtes.

Il est donc crucial de représenter la turbulence et ses variations, notamment au cours du cycle diurne, de manière réaliste dans les modèles de prévision du temps et de climat.

Mieux tenir compte de la turbulence dans les modèles de prévision et de climat

Les modèles numériques de prévision, utilisés au quotidien par les prévisionnistes de Météo-France, et les modèles de climat simulent l'évolution de l'atmosphère en la découpant en mailles plus ou moins larges. Sur l'horizontale, ces mailles mesurent quelques kilomètres à quelques dizaines de kilomètres pour les modèles de prévision et quelques dizaines de mètres à quelques centaines de kilomètres pour les modèles de climat.

Les mouvements turbulents de la couche limite atmosphérique sont cependant de taille inférieure à la maille des modèles. Pour prendre en compte leur impact sur l'évolution des paramètres météorologiques (température, humidité, vent), les concepteurs de modèles utilisent de complexes algorithmes qui décrivent de manière approximative leurs caractéristiques moyennes à l'intérieur des mailles. C'est que les météorologues appellent la paramétrisation.

Pour choisir la description de la turbulence la plus pertinente, les chercheurs ont besoin de comprendre les processus mis en jeu à une échelle très fine. Ils poursuivent pour cela trois stratégies : l'expérimentation, l'observation et la modélisation.

- l'expérimentation : la veine hydraulique

Météo-France dispose d'une infrastructure unique en Europe : une veine hydraulique. Elle permet de simuler à échelle réduite, grâce à des écoulements d'eau, le vent dans les basses couches de l'atmosphère. Elle est constituée d'un canal expérimental mesurant 22 m de long, 3 m de large et 1 m de profondeur. Les chercheurs peuvent y immerger une maquette topographique sur laquelle figurent précisément la végétation et les bâtiments. L'écoulement de l'eau sur la maquette reproduit les caractéristiques moyennes et turbulentes du vent réel. Cet équipement a également la particularité de pouvoir reproduire divers processus d'origine thermique en modifiant la densité de l'eau.

- l'observation : exemple de la campagne BLLAST

Météo-France participe régulièrement à des campagnes de mesures pour collecter des données in situ sur la turbulence. Dernière en date, la campagne BLLAST a été menée en juin 2011 sur le plateau de Lannemezan (Hautes-Pyrénées) par le laboratoire d'Aérologie, en partenariat avec Météo-France et une vingtaine d'autres instituts. Le but de cette campagne de quatre semaines était d'étudier le comportement de la couche limite en fin d'après-midi, lorsque la turbulence décroit peu à peu avant de former une couche limite stable. Divers instruments (ballons captifs, radars, drones, avions …) ont quadrillé les airs sur un rayon de 20 kilomètres et jusqu'à 4 kilomètres d'altitude pour décrire les mouvements de la couche basse de l'atmosphère.

- les modèles de recherche à haute résolution

La turbulence est également étudiée grâce au modèle Meso-NH. Meso-NH est un modèle atmosphérique de recherche développé à la fin des années 1990 par le centre de recherches de Météo-France et le Laboratoire d'Aérologie. Il permet de simuler de manière réaliste une vaste gamme de phénomènes atmosphériques, depuis les grands mouvements de la circulation atmosphérique (taille : 100-1000 km) jusqu'aux tourbillons (taille : quelques mètres). Il est aujourd'hui utilisé par une large communauté scientifique.

Pour l'étude de la turbulence, les chercheurs utilisent Meso-NH pour des simulations appelées LES (pour Large-Eddy Simulation), qui reproduisent le phénomène à une résolution de quelques mètres seulement. Les chercheurs peuvent alors mieux comprendre les processus mis en jeu à très fine échelle.