Initiation and organization of a heavy precipitating system over the mediterranean bassin as part of the HyMex first special observation period : simulations at hectometric scales

Les épisodes de pluies intenses qui affectent le pourtour Méditerranéen sont des phénomènes dangereux. Ils peuvent causer des crues éclair engendrant des dégâts matériels et humains importants. La prévision numérique du temps a aujourd'hui fait de nombreux progrès en particulier grâce à l'avènement des modèles de fine échelle. Cependant la prévision de ces épisodes de pluies intenses reste encore trop souvent imprécise. Par le passé, des études ont permis de mettre en évidence les ingrédients météorologiques principaux de ces phénomènes extrêmes. Cependant, certains mécanismes de fine échelle (microphysique et turbulence) et leurs interactions avec ceux de plus grande échelle sont encore mal connus. Le programme de recherche HyMeX vise notamment à améliorer la compréhension des processus impliqués dans ces évènements et leur représentation dans les modèles numériques en s'appuyant sur un jeu de données d'observations sans précédent. HyMeX a ainsi apporté des observations in-situ de systèmes fortement précipitants et de leur environnement, en amont, sur mer. L'objectif de ce sujet de thèse était d'analyser la représentation, dans les modèles à résolution hectométrique, des processus qui permettent l'initiation et l'organisation de la convection, en particulier sur mer. Le contexte météorologique et les systèmes précipitants de l'épisode convectif de la POI16a HyMeX ont d'abord été étudiés à partir des nombreuses observations et d'une simulation de référence à 2.5 km de résolution horizontale. L'environnement et les mécanismes d'initiation et d'organisation de la convection ont été analysés, mettant en évidence une initiation de la convection due à de la convergence dans un flux humide et instable de basses couches et à une plage froide sous orages. Cette dernière force le contournement du flux de basses couches renforçant localement la convergence. Cet épisode a ensuite été simulé à une résolution horizontale plus fine de 500 m. Cette gamme de résolution, vers laquelle les modèles opérationnels tendent actuellement, se situe au cœur la zone grise de la turbulence. La représentation des processus turbulents, entre représentation explicite et paramétrisation, y est délicate. Une étude de sensibilité à la paramétrisation de la longueur de mélange pour le schéma de turbulence a été réalisée. Elle a montré un fort impact à la fois sur l'environnement (notamment sur le vent et l'humidité dans les basses couches), sur la dynamique (vitesse verticale) et la microphysique (contenu en hydrométéores, intensité des précipitations et de la plage froide) dans le système précipitant. La longueur de mélange communément utilisée dans cette gamme de résolution produit moins de turbulence sous-maille et donne un système convectif plus intense. Enfin, pour s'extraire de la zone grise de la turbulence et des difficultés qui y sont associées, la résolution a été affinée jusqu'à l'échelle LES. La première simulation LES d'un cas réel de fortes précipitations sur la Méditerranée a été réalisée, avec une résolution horizontale de 150 m sur un grand domaine couvrant le nord-ouest du bassin méditerranéen (environ 900 millions de points). Elle a montré que la simulation, dans la zone grise de la turbulence, proposait une représentation de l'environnement similaire, mais un système convectif plus intense par rapport à la réalité de la LES. Une analyse préliminaire de la structure du système précipitant simulé a montré l'opportunité offerte par cette simulation LES pour étudier l'organisation à fine échelle des cellules convectives au cœur du système.Heavy precipitating events affecting the whole Mediterranean region are dangerous phenomena. They can cause flash floods leading to significant material and human damages. Numerical Weather Prediction (NWP) model made significant progress, especially through fine scale modeling. However, the prediction of these intense rainfall events remains imprecise. In the past, studies has already highlighted the major meteorological ingredients of these extreme phenomena. However, some fine scale mechanisms (microphysics and turbulence) and their interaction with larger scale are still not well known. The HyMeX research program is dedicated to improve the understanding of these processes and their representation in numerical models based on an unprecedented observations dataset. HyMeX also provides the first observations of heavy precipitating systems and their environment over the sea. The objective of this thesis is to analyze the representation of the processes participating in the initiation and the organization of convection in numerical models, especially over sea. The meteorological context and the precipitating systems of the POI16a convective event (26/10/2012) were first studied with numerous observations and a reference simulation realized at 2.5 km horizontal resolution. The environment, the initiation and the organisation mechanisms for convection have been analyzed, showing a convection initiation triggered by a convergence in humid and unstable low-level flow and by a cold pool under the storm playing a role of deflection of the low-level flow, reinforcing the convergence. This event was then simulated at a finer horizontal resolution of 500 m. This range of resolution, toward which the operational models curently operate, is located in the grey zone of the turbulence. The representation of turbulent processes between an explicit representation and parameterization is delicate. A sensitivity study to the turbulent mixing length was carried out. A strong impact is observed on both the environment (especially on the low-levels wind and humidity), the dynamic processes (vertical speed) and the microphysics in the precipitating system (hydrometeor content, precipitation and cold pool intensity). The mixing length commonly used in this range of resolution produces less subgrid turbulence and gives a more intense convective system. Finally, to extract from the grey zone of turbulence and the associated difficulties, the resolution was refined to the LES scale. The first LES simulation of a real heavy precipitating Mediterranean event was carried out with a horizontal resolution of 150 m on a large grid covering the north-west of the Mediterranean bassin (900 million points). The simulation in the grey zone of turbulence proposed a representation of the environment quite similar, but a convective system more intense compared to the reality of the LES. A rapid analysis of the simulated precipitating system structure showed the opportunity offered by this LES simulation to study the dynamic and the microphysical organization of the system at a finer scale