Modèle bidimensionnel de convection profonde atmosphérique : étude de certains aspects dynamiques

Dans le but d'étudier certains aspects dynamiques de la convection profonde atmosphérique, nous avons développé un modèle bidimensionnel axé sur le développement d'une cellule orageuse simple. Ce modèle considère des éléments de volume, où nous faisons l'hypothèse que les différents champs thermodynamiques sont homogènes. Ces volumes sont fixes dans l'espace et le temps et sont traversés par les flots d'air humide de sorte que leurs contenus varient au cours du temps. Durant ces évolutions l'eau subit des changements de phases. Ces phénomènes, simultanés dans la nature, sont représentés par un mécanisme à étapes successives dans le modèle. Une première étape se déroule en système ouvert: l'air circule pendant un pas de temps d'intégration entre les éléments de volume; l'air conserve ses propriétés pendant le déplacement. Les deux étapes suivantes se produisent dans chaque élément de volume considéré alors en système fermé et isolé: une première étape d'homogénéisation de l'air en pression et ensuite en température et enfin une étape de restauration de l'équilibre des phases de l'eau compte tenu de la nouvelle répartition des constituants et de leur état thermodynamique. Cette discrétisation du mécanisme d'évolution du contenu des éléments de volume nous permet d'utiliser les lois de la thermodynamique classique dans des systèmes ouverts. Ce mécanisme mène à une équation thermodynamique originale. Les autres équations du modèle sont les équations de l'hydrodynamique classique, les équations de la quantité de mouvement et de continuité. Pour l'intégration des équations, nous avons utilisé une méthode de filtrage numérique basée sur les transformations de Laplace, due à P. Lynch (1984) et adaptée à l'intégration par J. Van Isacker (1985). Au niveau du calcul, les champs de masse, de pression et des quantités de mouvement sont adaptés aux échanges de matières entre éléments de volume voisins à l'aide du processus d'intégration. Les équilibrages de phases interviennent comme ajustement du résultat de l'intégration. Ils modifient le défaut de balance hydrostatique qui sera minimisé au cours du pas d'intégration suivant grâce au filtrage de la méthode numérique. Les simulations réalisées à l'aide du modèle restituent de manière raisonnable les caractéristiques essentielles de la convection profonde atmosphérique. Nous avons utilisé le modèle pour étudier le développement d'un orage de masse d'air de manière plus approfondie. Ainsi, le développement initial, la croissance de la cellule convective, la formation de vortex ont été corrélés avec la structure de la flottabilité dans l'étude des mécanismes mis en oeuvre. Nous avons examiné les déplacements horizontaux et les accélérations verticales en termes de mélanges de masses d'air et des changements de phases qu'ils induisent. Dans l'étude de l'évolution des différentes formes d'énergie, cinétique, potentielle et interne et de leurs conversions, nous avons recherché les contributions dominantes à leurs variations et montré les rôles prépondérants joués par les processus de changement de phase et d'homogénéisation locale de la pression dans la variation de l'énergie interne. Dans l'examen de l'effet dynamique de la convection profonde sur le courant moyen, nous avons montré que, dans certains cas, nous avons non seulement transfert vertical d'énergie cinétique mais également création d'énergie cinétique du courant moyen. Le cumulonimbus peut dans certains cas agir comme moteur pour les mouvements atmosphériques à plus grande échelle.(PHYS 3)--UCL, 200